自希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)以來,精確測量該粒子的特性和探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理逐漸成為高能物理領(lǐng)域的研究熱點。為精確測量希格斯粒子的特性,我國科學(xué)家提出了環(huán)形正負(fù)電子對撞機(Circular Electron-Positron Collider,CEPC)計劃。單片有源像素傳感器(Monolithic Active Pixel Sensors,MAPS)是CEPC頂點探測器的核心部件,用于精確測量重味粒子與輕子的位置和時間信息,需具備高位置分辨率、高讀出速率、低功耗以及抗輻照等特性。具備該特性且能夠?qū)⑺邢袼匚恢眯畔ⅹ毩⒌�、不丟失的讀出到芯片外同時面積較小的數(shù)字讀出電路設(shè)計是MAPS設(shè)計的關(guān)鍵之一。本文主要研究工作是將經(jīng)典的Token結(jié)構(gòu)與AERD(Address Encode and Reset Decode)結(jié)構(gòu)相結(jié)合提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動型讀出架構(gòu),并在Tower Jazz 180nm CIS工藝下設(shè)計流片,實現(xiàn)了CEPC頂點探測器中MAPS的數(shù)字讀出。其具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.把Token與AERD結(jié)構(gòu)相結(jié)合,提出了全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動型讀出架構(gòu):在8行8列共64個像素單元組成的超級像素中采用Token結(jié)構(gòu),超級像素外使用AERD結(jié)構(gòu)。超級像素內(nèi)用Token結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非零數(shù)據(jù)壓縮、縮小面積,超級像素外用AERD實現(xiàn)16行8列超級像素陣列的快速讀出與低功耗。結(jié)果表明:采用Token技術(shù)后超級像素面積可縮小至25μm×25μm,從而提高了位置分辨率。2.設(shè)計了無片上存儲器且能實時輸出數(shù)據(jù)的數(shù)字讀出電路:在MAPS芯片內(nèi)使用一個23bit× 16的小容量FIFO將像素陣列讀出的23bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8bit數(shù)據(jù),再將該8bit數(shù)據(jù)進行組幀后輸出,從而實現(xiàn)了MAPS的8位并行實時讀出和減小芯片面積,每幀數(shù)據(jù)僅需0.425μs,當(dāng)擊中率較低時,數(shù)據(jù)幀中包含時間信息。3.數(shù)字讀出電路的物理設(shè)計與測試:根據(jù)頂點探測器設(shè)計指標(biāo),對數(shù)字讀出電路進行時序約束并使用Design Compiler生成門級網(wǎng)表,之后通過Encounter完成該網(wǎng)表的版圖設(shè)計。通過對該MAPS芯片的數(shù)字讀出進行測試,觀察到了良好的成像效果,從而驗證了數(shù)字讀出設(shè)計的正確性。
【學(xué)位單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN40;TP212
【部分圖文】：

算、讀出速度、抗輻射、功耗等性能之間提供合理的折中｜８１。??ＭＡＰＳ最重要的特征之一是將靈敏區(qū)部分（完成帶電粒子探測）和讀出電路??集成在同一硅基襯底上，如圖１．１ＩＭ為其結(jié)構(gòu)示意圖。探測原理如下：在深度摻??雜的Ｐ型襯底（ｐ＋＋?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上，低摻雜的Ｐ型外延層（ｐ－ｅｐｉｔａｘｉａｌ）作為靈敏區(qū)，??在Ｐ外延層的上層是Ｎ阱（Ｎ－Ｗｅｌｌ）和Ｐ阱（Ｐ－Ｗｅｌｌ），Ｎ阱與Ｐ外延層形成類似光??敏二極管的結(jié)構(gòu)，并通過電極連到Ｐ阱上ＮＭＯＳ的柵極⑴１。高能帶電粒子穿過??Ｐ型外延層時電離產(chǎn)生一定數(shù)量的自由電荷載流子，通過熱擴散，這些載流子??被Ｎ阱與Ｐ外延層形成的二極管收集起來，再通過ＮＭＯＳ的柵極控制在源極產(chǎn)??生電壓信號，從而形成對帶電粒子的探測。在此過程中，低摻雜外延層與其上??面的ｐ阱和下面的ｐ型襯底的界面處形成了勢壘，像鏡子反射一樣阻礙載流子??的向下擴散

像素探測器讀出??上面ＭＡＰＳ工作原理和結(jié)構(gòu)可以看出，讀出電路負(fù)責(zé)將所有像素單元出到芯片外部。目前像素探測器中的像素陣列包含成千上萬個像素單元一個面積較小和功耗較低的數(shù)字讀出電路能夠?qū)⑾袼仃嚵兄兴邢袼乜焖俚�、不丟失的讀出到芯片外成為了?ＭＡＰＳ設(shè)計的關(guān)鍵問題。??前應(yīng)用于高能物理領(lǐng)域的像素探測器讀出方案主要有Ｇｌｏｂａｌ?Ｓｈｉｍｅｒｌ｜３】、???ＳｈｕｔｔｅＨ１４！、Ｔｏｋｅｄ１５】和ＡＥＲＤ丨１６］（這些讀出方法將在第二章進行介紹）。??Ｓｈｕｔｔｅｒ每次同時打開和關(guān)閉所有像素，之后再讀出，每次需要讀出的因此讀出時間長難以滿足ＣＥＰＣ頂點探測器的要求。Ｒｏｌｌｉｎｇ?Ｓｈｕｔｔｅｒ讀每次讀出一行像素單元，粒子擊中較少時讀出效率較低。Ｔｏｋｅｎ讀出與術(shù)中令牌環(huán)類似取得令牌才能讀出，像素被擊中時才會產(chǎn)生令牌但像延時較大，速度受限。ＡＥＲＤ讀出是一種具有優(yōu)先級的讀出方式，可速讀出和降低功耗，但面積較大。這些方案都難以達(dá)到ＣＥＰＣ頂點探。因此，需要根據(jù)ＣＥＰＣ頂點探測器要求設(shè)計新的的數(shù)字讀出方案。下，本文提出了一種滿足ＣＥＰＣ頂點探測器要求的新型讀出方案，并

圖２．１采用Ｒｏｌｌｉｎｇ－ｓｈｕｔｔｅｒ讀出的ＭＡＰＳ芯片結(jié)構(gòu)圖??使用ｒｏｌｌｉｎｇｓｈｕｔｔｅｒ方案時，像素陣列中每行的積分時間點不一樣，容易造??成如傾斜、拉伸、縮短等畸變。如圖２．２＾１所示為采用ｒｏｌｌｉｎｇｓｈｕｔｔｅｒ讀出方式，??被成像物體水平移動時，ｔｌ、ｔ２和ｔ３時刻被成像物體分別處于像素陣列的左側(cè)、??中間和右側(cè)，可以看到最終成像發(fā)生了畸變。???？??ｔｌ?ｔ２?ｔ３?Ｔｉｍｅ??二圓固??圖?２．２?Ｒｏｌｌｉｎｇ?Ｓｈｕｔｔｅｒ?讀出成像??２．３?Ｔｏｋｅｎ??Ｔｏｋｅｎ讀出方式與計算機技術(shù)中令牌環(huán)原理相似。其讀出方式是當(dāng)令牌有效??時
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本文編號：2872583