氣體探測(cè)器前端讀出ASIC芯片設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間：2021-10-23 22:21
加速器的放射性束流線上開展遠(yuǎn)離穩(wěn)定線核素的研究工作,特別是研制新型氣體探測(cè)器測(cè)量高流強(qiáng)的束流徑跡,用于開展高流強(qiáng)束流診斷和新粒子鑒別的研究工作。時(shí)間投影室（TPC）是一種廣泛使用的氣體探測(cè)器,它具有高精度的三維徑跡探測(cè)能力,并能給出粒子的動(dòng)量以及能損信息,因此近年來(lái)在實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用�；贕EM（Gas Electron Multiplier,氣體電子倍增器）的GEM-TPC相對(duì)于傳統(tǒng)的多絲結(jié)構(gòu),在計(jì)數(shù)率、正離子反饋、位置分辨方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。為了能盡可能大的覆蓋實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的相空間,大面積GEM-TPC探測(cè)器成為實(shí)驗(yàn)上的首選,因此對(duì)讀出電子學(xué)系統(tǒng)提出高速、高集成度、低功耗的要求。更高的要求必然帶來(lái)新技術(shù)及新方法上的重大挑戰(zhàn),國(guó)際上很多實(shí)驗(yàn)室都開發(fā)了用于探測(cè)器讀出的專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路）芯片,并建立了與之相配的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。ASIC芯片的利用,極大簡(jiǎn)化了前端電子學(xué)的設(shè)計(jì),減少了功耗開銷和硬件支出,因此前端讀出ASIC芯片的設(shè)計(jì)與研制成為我們亟待解決的關(guān)鍵核心技術(shù)。本論文針對(duì)氣體探測(cè)器...
【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)甘肅省
【文章頁(yè)數(shù)】：127 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
HIRFL的總體布局圖（圖來(lái)自[1]）
氣體探測(cè)器前端讀出專用集成電路設(shè)計(jì)16圖2.7AGET芯片的整體結(jié)構(gòu)（圖來(lái)自[25]）Figure2.7ThestructreofAGET（Figurefrom[25]）表格2-1AGET芯片的性能參數(shù)指標(biāo)值極性雙極性通道數(shù)量64輸入動(dòng)態(tài)范圍120fC,240fC,1pC,10pC每通道獨(dú)立可調(diào)輸出動(dòng)態(tài)范圍2Vpp差分信號(hào)積分非線性<2%能量分辨<850e-(增益120fC,達(dá)峰時(shí)間200ns,探測(cè)器電容<30pF)達(dá)峰時(shí)間50ns至1μs(16檔)采樣數(shù)量512或2x256單元采樣頻率1MHz至100MHz讀出頻率25MHz測(cè)試模式任意64通道之一功耗<10mW/channel@3.3V
氣體探測(cè)器前端讀出專用集成電路設(shè)計(jì)22SAMPA芯片中集成了模擬前端、ADC、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)三部分電路，屬于模數(shù)混合芯片。該芯片的整體結(jié)構(gòu)如圖2.14所示：?jiǎn)涡酒?2通道，每通道都包含前放、極零相消、T型低通濾波器電壓偏移電路，10bit20MSps采樣率的逐次逼近形（SAR）ADC。多通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字化后，在DSP中進(jìn)行數(shù)字濾波壓縮處理。在性能指標(biāo)上，該芯片可以處理雙極性信號(hào)，具有4mV/fC，20mV/fC和30mV/fC三檔增益與160ns，300ns兩檔成形時(shí)間。芯片供電電壓為1.25V，低電壓能夠降低功耗，但同時(shí)也會(huì)限制模擬電路的動(dòng)態(tài)范圍，數(shù)字噪聲對(duì)模擬電路的影響也會(huì)更嚴(yán)重。圖2.14SAMPA芯片結(jié)構(gòu)圖（圖來(lái)自[5]）Figure2.14ThestructureofSAMPA（Figurefrom[5][5]）表格2-3SAMPA芯片參數(shù)列表參數(shù)項(xiàng)取值范圍供電電壓通道數(shù)輸入信號(hào)極性達(dá)峰時(shí)間線性范圍前放增益非線性（CSA+Shaper）ADC有效輸入范圍ADC精度ADC采樣頻率1.25V32正/負(fù)160ns/300ns500fC,100fC,67fC4mV/fC,20mV/fC,30mV/fC<1%2Vpp10bit5MSps/10MSps
本文編號(hào)：3454023
【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)甘肅省
【文章頁(yè)數(shù)】：127 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
HIRFL的總體布局圖（圖來(lái)自[1]）
氣體探測(cè)器前端讀出專用集成電路設(shè)計(jì)16圖2.7AGET芯片的整體結(jié)構(gòu)（圖來(lái)自[25]）Figure2.7ThestructreofAGET（Figurefrom[25]）表格2-1AGET芯片的性能參數(shù)指標(biāo)值極性雙極性通道數(shù)量64輸入動(dòng)態(tài)范圍120fC,240fC,1pC,10pC每通道獨(dú)立可調(diào)輸出動(dòng)態(tài)范圍2Vpp差分信號(hào)積分非線性<2%能量分辨<850e-(增益120fC,達(dá)峰時(shí)間200ns,探測(cè)器電容<30pF)達(dá)峰時(shí)間50ns至1μs(16檔)采樣數(shù)量512或2x256單元采樣頻率1MHz至100MHz讀出頻率25MHz測(cè)試模式任意64通道之一功耗<10mW/channel@3.3V
氣體探測(cè)器前端讀出專用集成電路設(shè)計(jì)22SAMPA芯片中集成了模擬前端、ADC、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)三部分電路，屬于模數(shù)混合芯片。該芯片的整體結(jié)構(gòu)如圖2.14所示：?jiǎn)涡酒?2通道，每通道都包含前放、極零相消、T型低通濾波器電壓偏移電路，10bit20MSps采樣率的逐次逼近形（SAR）ADC。多通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字化后，在DSP中進(jìn)行數(shù)字濾波壓縮處理。在性能指標(biāo)上，該芯片可以處理雙極性信號(hào)，具有4mV/fC，20mV/fC和30mV/fC三檔增益與160ns，300ns兩檔成形時(shí)間。芯片供電電壓為1.25V，低電壓能夠降低功耗，但同時(shí)也會(huì)限制模擬電路的動(dòng)態(tài)范圍，數(shù)字噪聲對(duì)模擬電路的影響也會(huì)更嚴(yán)重。圖2.14SAMPA芯片結(jié)構(gòu)圖（圖來(lái)自[5]）Figure2.14ThestructureofSAMPA（Figurefrom[5][5]）表格2-3SAMPA芯片參數(shù)列表參數(shù)項(xiàng)取值范圍供電電壓通道數(shù)輸入信號(hào)極性達(dá)峰時(shí)間線性范圍前放增益非線性（CSA+Shaper）ADC有效輸入范圍ADC精度ADC采樣頻率1.25V32正/負(fù)160ns/300ns500fC,100fC,67fC4mV/fC,20mV/fC,30mV/fC<1%2Vpp10bit5MSps/10MSps
本文編號(hào)：3454023
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