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用于探测器信号读出的前端 ASIC

2010 年 8 月 15 日

中国科学院高能物理研究所

王 铮

“ ”中国科学院 核探测技术与核电子学 重点实验室

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主要内容• 国际上 ASIC 技术发展动态

– 半导体探测器读出 ASIC （ FEI-4 ， MIMOSA26 ）

– 气体探测器读出 ASIC （ TIMEPIX ）• 国内 ASIC 研究进展

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半导体探测器读出 ASIC

• 探测器与 ASIC 采用 hybrid 结构 – FEI4

• 探测器与 ASIC 作在同一个衬底上（单片结构） – MINOSA26

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Pixel Detector Module Breakdown

16 FE chips

Sensor tile

Bump bonds

PP0 connection

Flex Hybrid

Wire bonds

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Frontend Chip - FE-I4

FE-I3

Largest Chip in HEP

Review Nov 3-4,2009

New FE-I4Pixel size = 250 x 50 µm2

Pixels = 80 x 336Technology = 0.13µmPower = 0.5 W/cm2

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Development of CMOS Pixel Sensors for Charged Particle Tracking

• Design according to 3 issues:– Increasing S/N at pixel-level– A to D Conversion at column-level– Zero suppression at chip edge level

• Power v.s. speed:– Power Readout in a rolling shutter mode

Speed 1 row pixels are read out //

• MIMOSA26 is a reticule size MAPS with binary output, 10 k images / s

– Pixel array: 1152 x 576, 18.4 µm pitch– Hit density: ~ 1E6 particles/cm²/s– Architecture:

• Pixel (Amp+CDS) array organised in // columns r.o.in the rolling shutter mode

• 1152 ADC, a 1-bit ADC (discriminator) / column • Integrated zero suppression logic• Remote and programmable

• Lab. and beam tests: 62 chips tested, yield ~75-90%

21.5 mm

13.7

mm

MIMOSA26Active area: ~10.6 x 21.2 mm2

Pixel Array

Rolling shutter mode

ADC

Zero suppression

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MIMOSA26: 1st MAPS with Integrated Ø Pixel array: 576 x 1152, pitch: 18.4 µm Active area: ~10.6 x 21.2 mm2

In each pixel: Amplification CDS (Correlated Double Sampling)

1152 column-level discriminators offset compensated high

gain preamplifier followedby latch

Zero suppression logic

Memory management Memory IP blocks

Readout controller JTAG controller

Current Ref. Bias DACs

Row sequencer Width: ~350 µm

I/O PadsPower supply PadsCircuit control PadsLVDS Tx & Rx

CMOS 0.35 µm OPTO technology, Chip size : 13.7 x 21.5 mm2

Testability: several test points implemented all along readout path

Pixels out (analogue) Discriminators Zero suppression Signal transmission

Reference Voltages Buffering for 1152 discriminators

PLL, 8b/10b optional

Integration time: ~ 100 µs R.O. speed: 10 k frames/s Hit density: ~ 106

particles/cm²/s

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气体探测器 ASIC （ TIMEPIX ）

• GEM 探测器• μ-megas 探测器

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TIMEPIX 芯片• 四种工作模式

– TOT ：测量信号过阈宽度（时钟周期数）– TIME ：测量信号到达到公共停止信号时间间隔– MediPix: 信号过阈次数计数– OneHit: 来一个信号即为 1 ，无信号为 0

• 与标准 GEM 探测器测试，性能指标：– 位置分辨： ~20 um （ rms ）– 时间分辨： ~8ns （ rms ）

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国内 ASIC 研究进展

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研究背景

高密度、低功耗、低成本的读出 ASIC

为了获得粒子径迹或图像更高的位置分辨力，各种新型射线和粒子探测器的单元尺寸减小到 ~10m - ~100m ，称为密集阵列探测器。

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在研项目• GEM 探测器读出 ASIC 的研制

– 高能所科技创新项目， 2007 － 2010 ， 40 万• 新型密集阵列探测器读出 ASIC 的研制

– NSFC 重点项目，清华、近物所、高能所联合，2008 － 2011 ， 240 万

• 气体探测器 ASIC 读出电子学的研究– 中科院核电子学与探测技术重点实验室重点项

目， 30 万， 2010 年• …

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– 极低噪声 CMOS 电荷灵敏前放的设计研究

0 2 4 6 8 10 1260

70

80

90

100

110

120

[s]

EN

C [e

,rm

s]

Ib=0.1mAIb=0.2mAIb=0.4mAIb=0.6mAIb=0.8mAIb=1mA

输入电容 ~0.1pF

ENC=61.3e

噪声水平达到国内领先，和国外最好的几个电子的水平相比，还有一定差距

清华大学

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• 多通道 GEM 探测器读出 ASIC 的研制– 第一版 16 通道 CASA 芯片的设计

IN

VFP

OUTN

OUTP

ODIF

单通道包括电荷灵敏前放 (CSA) 、极零相消、 CR-(RC)4 成形和全差分缓冲输出

CASA 芯片版图

清华大学

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输入电荷 1500 fC增益 1-19 mV/fC输出脉宽 200–800 ns积分非线性 <2.5%串扰 <0.98%功耗 8.9 mW/ch

0 20 40 60 80 100 1200

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Cin [pF]

EN

C [e

,rm

s]

=25ns, ENC=50.3e*Cin/pF+220e=50ns, ENC=62.2e*Cin/pF+265e=75ns, ENC=70e*Cin/pF+256e=100ns, ENC=80.1e*Cin/pF+260e

CASA 主要性能指标

CASA 噪声测试结果

与 GEM 探测器的测试结果

GEM detector CASA

COOL-X X-ray Generator (peak @~8keV)

探测器信号波形

清华大学

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GEM 探测器读出 ASIC- GEMROC2009Nov ， ver2 completed

单通道原理图

CSA+Shaper

Simulation

schematic

Schematics ver2

Chartered 0.35 ms technology•16channel/chip

•Strip capacitance: 20~100pF•Most probable Qstrip:~50fC•Linear range: up to 200fC,inl<1%•Track rate: >100KHz•Noise: <2000e,rms•Gain:5mV/fC•Output: semi-Gaussian pulse50~400ns peaking time•Power consumption:<20mW

高能所

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GEMROC 芯片

扫描链

单个读出通道

基准和偏置

模拟监测缓冲

92μm×1500μm

• 16 通道低噪声电荷灵敏前放 + 积分成形电路

电荷灵敏前放 极零相消 RC 积分 输出级

高能所

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SWAN 芯片：开关电容阵列 +Wilkinson 型 ADC

8×32cell

顺序读写控制逻辑 可预置纯格雷码计数器

锁存器和串行输出

高能所

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SWANSwitched-capacitor array with Wilkinson A/D convertors Next version

• 8chn*32cell CAP array• 12bit WADC• optional 12bit/10bit/8bit mode• clock : 50M / 100M• serial data output• optional LVDS or CMOS clock input

Tapeout: Mar2009

LQFP100 package

Timing diagram

Grey code output testRAMP circuit test

ADC noise chnl 0 1 2 3 4 5 6 7RMS 0.5

40.59 0.5

90.62

0.62

0.61

0.59

0.56

Chartered 0.35 ms technology

高能所

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四通道 MAPMT 放大读出 ASIC

适用于多阳极光电倍增管波形采样读出的四通道模拟放大成形芯片，每个放大通道由 跨阻前放 + 滤波成形 + 增益调整与输出驱动极构成。• 2009 年 8 月流片： 固定 136ns 成形时间， A 类驱动放大级（线性好） 已完成实验室测试。

高能所

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PETPET 芯片测试结果芯片测试结果芯片参数电源 ： + -2.5V ， 0V ；耦合方式： 输入输出皆可采用直流或交流耦合（目前为直流耦合）放大倍数： 102 mV/pC 可根据需要调整，最小 51mV/pC ） 通道间串扰： <0.05%每通道功耗： 34 mW （可低至约 10 mW ，根据驱动能力大小而定） 驱动能力 ： 驱动 400欧电阻。输入动态范围： 10.8pC输出动态范围： 1.1V非线性度： <1% 事例率 ： 70K （堆积几率 <3％）通道非一致性： <1.6%噪声： 等效输出均方根噪声 0.946mV ，信噪比 28 （仿真值）

实测输出波形 蓝色 与探测器联调结果

高能所

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总结• 完成了若干 ASIC原型芯片的设计，取得了初步的

研究成果• 将继续通过国际合作，进一步缩短与国外 ASIC 研

究的差距• 但是，与国内探测器的需求还有差距• 近期目标： 2~3 年内，建立基于 ASIC 前端电路

的探测器读出电子学系统，实用化

• 合作单位：高能所、清华大学、近物所

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欢迎更多合作者参与！