基于SKIROC2芯片的 SiPIN探测器读出电子学预研

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1 基于SKIROC2芯片的 SiPIN探测器读出电子学预研
马思源 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 2017/4/28 1

2 报告内容 预研目标 SKIROC2 芯片介绍 测试电路 测试进展&下一步计划

3 预研目标 为CEPC的电磁量能器进行关键技术探索 设计一套小型桌面样机 采用SiPIN探测器阵列和以SKIROC2芯片为核心的电子学

4 基本介绍：Si-W ECAL 探测器结构 探测器由SIPIN阵列组成，有效面积18*18cm 每层探测器阵列由W板隔开，粒子在W板中进行簇射并由探测器收集测量。 上方是探测器阵列，下面是电子学，主要由12个SKIROC芯片组成

5 基本介绍：Si-W ECAL 采集流程： 探测器在对撞发生后进入工作状态，持续1ms，在这段时间可以采集多个事例的幅度信息和时间信息，存储在SCA阵列中。 采集结束后，统一对存储在SCA中的时间和幅度进行ADC量化，之后传输到上位机中。 这一过程结束后进入空闲状态，绝大多数时间都是空闲状态，在这时可以对芯片断电以节省功耗。

6 芯片介绍 芯片概况 模拟性能 数字性能

7 简介 法国OMEGA项目组 SKIROC2 64 Ch. QFP240 Max input:2000 MIPs Noise: 0.15 MIP 为Si-W ECAL采集 数据

8 芯片模拟性能 64 路模拟输入 多增益档位选择 测量范围：0~+10pC 最小噪声：0.4fC（0.1 MIP） 积分成形时间：180ns
自带Trig 50~100ns可调 可测量时间信息 15 深度SCA阵列，存储15事例 可模拟输出 芯片有64路模拟输入，用以输入电荷信号。

9 模拟部分结构： TDC SCA 慢成形 选择器 15深度SCA PA 快成形 阈值DAC
这是模拟部分每一路的结构，输入信号进入PA，PA的增益可调。 之后经过两路增益不同的慢成型和快成形电路。快成形输出信号和设定阈值比较，可产生Trigger，Trigger信号控制慢成型电路和SCA的hold开关，SCA阵列有15深度，可以存储15个事例。 快成形 阈值DAC

10 模拟输出信号：

11 数字性能 12 bit wilkinson ADC 4k Byte Memory
10 bit DAC for discriminator threhold Ex-trigger input

12 数字部分结构：

13 数据输出： 时钟：10MHz（SlowClk） 总长度：30976bit（3.1ms） OC输出，多芯片共用 菊花链传递，依次读出

14 电子学原型设计 目的：控制芯片并对其性能进行测试 框图：

15 电子学原型设计 实物图： SKIROC2 FPGA

16 测试进展——电子学 模拟部分： 正确配置SKIROC2 的Slow_Control Registers Trig Threshold功能正常
完成DAC标定 通过Probe观察PA SS10 SS1 输出模拟信号正常 完成ADC标定 正确控制模拟部分工作状态

17 测试进展——电子学 Threshold 标定结果： ADC标定结果

18 测试进展——电子学 Slow Shape 输出波形： 通过芯片Probe管脚观察 Trig Trig SS10 input = 400fC
SS1 input = 4pC

19 测试进展——电子学 数字部分 采集控制时序正确 采集到完整结构的数据包 分析得到基线噪声

20 存在问题 基线噪声过大 Reset Analog Column 信号不能正常工作 40mV左右，对应30ADC 由开关电源引入
等效输入噪声6fC （1.5MIPs） 由开关电源引入 通过LDO耦合进ASIC Reset Analog Column 信号不能正常工作 应该H有效，实际相反 在Raz = 1 时，可以工作，但有三分之一无效数据 怀疑是该芯片问题，已经焊接第二块PCB进行对比

21 测试进展——探测器 滨松S5980 SiPIN 200片已到货 探测器板已就绪 正负两种电荷输出

22 下一步计划 解决噪声过大问题 焊接探测器板，进行联测 设计用于原型机的前端电子学

23 Thanks