本文關(guān)鍵詞：LHAASO WCDA中基于電流型TOT技術(shù)的前端讀出ASIC設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： LHAASO WCDA 專用集成電路 大動(dòng)態(tài)范圍 電流模 過閾時(shí)間法(TOT)

【摘要】：為探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究,由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所提出建設(shè)的大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO),將是世界上五大宇宙射線研究站之一。其中的水契倫科夫探測(cè)器陣列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)是其主要探測(cè)裝置之一,其基本原理是通過光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)探測(cè)空氣簇射形成的次級(jí)粒子在水中所產(chǎn)生的契倫科夫光。WCDA占地共9萬平方米,共包含3600個(gè)PMT單元,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為單光電子(1Photo Electron (PE))到4000光電子。對(duì)應(yīng)地要求其讀出電子學(xué)在4000倍的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間和電荷測(cè)量,時(shí)間測(cè)量精度要求好于500ps,電荷測(cè)量精度要求好于30%@1PE,3%@4000PE。為簡(jiǎn)化WCDA讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),本論文基于電流型過閾時(shí)間法(Time-Over-Threshold, TOT)進(jìn)行了前端讀出專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit. ASIC)的研究和設(shè)計(jì),將前端所有模擬電路集成在單個(gè)芯片中。論文整體結(jié)構(gòu)如下。 本論文第一章介紹了宇宙射線背景知識(shí)以及LHAASO實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究意義和探測(cè)器陣列的結(jié)構(gòu),其后重點(diǎn)介紹了其中的WCDA及其讀出電子學(xué)的結(jié)構(gòu),包括WCDA的工作原理,PMT輸出信號(hào)特征,以及讀出電子學(xué)整體架構(gòu)等。 第二章首先介紹了物理實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)中典型的時(shí)間和電荷測(cè)量方法,并比較了集成電路中電流模和電壓模兩種信號(hào)處理方法的特點(diǎn),然后調(diào)研了國(guó)際上代表性的PMT讀出ASIC,并且分析對(duì)比了它們的技術(shù)路線和性能指標(biāo)。 針對(duì)LHAASO WCDA讀出電子學(xué)的性能要求以及PMT輸出信號(hào)特點(diǎn),第三章對(duì)待研究ASIC的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了討論,并確定了電流型TOT的基本技術(shù)路線。時(shí)間測(cè)量采用電流型前沿定時(shí)技術(shù),其輸出同時(shí)作為電荷測(cè)量中線性充放電過程的控制信號(hào)。此ASIC輸出經(jīng)后端時(shí)間數(shù)字變換電路(Time-to-Digital Converter, TDC)處理后,即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和電荷的數(shù)字化。 第四章重點(diǎn)介紹了該ASIC的核心技術(shù)方法：通過對(duì)前置放大器輸出信噪比的優(yōu)化保證測(cè)量精度；設(shè)計(jì)高線性度的基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結(jié)構(gòu)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路以提高電荷測(cè)量性能；使用電流舵DAC配置電流甄別器的閡值來提高芯片使用的靈活性；設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)電路用于控制電荷測(cè)量的充放電過程以提高電荷測(cè)量線性度。 第五章介紹了該ASIC整體的系統(tǒng)前仿真結(jié)果,包括功能仿真、時(shí)間及電荷測(cè)量等。其中重點(diǎn)介紹了芯片時(shí)間和電荷測(cè)量精度的分析模型和相應(yīng)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明,在單光電子信號(hào)輸入時(shí),時(shí)間測(cè)量精度好于150ps,而電荷測(cè)量精度好于4%。 論文第六章介紹了該ASIC的版圖設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的后仿真結(jié)果以及封裝的考慮。該P(yáng)MT讀出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工藝,尺寸為3mm×3mm,單芯片共集成6個(gè)信號(hào)通道,對(duì)應(yīng)3個(gè)PMT的讀出。后仿真結(jié)果表明此ASIC在單光電子信號(hào)輸入時(shí),其時(shí)間測(cè)量精度好于200ps,電荷測(cè)量精度好于5%,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 第七章主要介紹了此ASIC的測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試結(jié)果。初步測(cè)試表明,此ASIC各通道的時(shí)間測(cè)量精度均好于300ps,電荷測(cè)量精度在單光電子信號(hào)輸入時(shí)好于15%,4000光電子輸入時(shí)好于1%,好于設(shè)計(jì)目標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】：LHAASO WCDA 專用集成電路 大動(dòng)態(tài)范圍 電流模 過閾時(shí)間法(TOT)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P172
【目錄】：

• 目錄5-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 引言14-27
• 1.1 大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站(LHAASO)15-19
• 1.1.1 宇宙射線和高能伽瑪射線簡(jiǎn)介15-16
• 1.1.2 LHAASO實(shí)驗(yàn)物理目標(biāo)16-17
• 1.1.3 LHAASO實(shí)驗(yàn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)17-19
• 1.2 LHAASO水契倫科夫探測(cè)器(WCDA)19-21
• 1.2.1 WCDA物理研究背景19-20
• 1.2.2 WCDA探測(cè)器結(jié)構(gòu)及原理20-21
• 1.2.3 WCDA光電倍增管特性21
• 1.3 LHAASO WCDA讀出電子學(xué)21-25
• 1.3.1 WCDA讀出電子學(xué)技術(shù)難點(diǎn)21-22
• 1.3.2 WCDA讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)22-24
• 1.3.3 WCDA前端讀出ASIC設(shè)計(jì)24-25
• 1.4 本章小結(jié)25
• 參考文獻(xiàn)25-27
• 第2章 物理實(shí)驗(yàn)中時(shí)間和電荷測(cè)量方法27-61
• 2.1 物理實(shí)驗(yàn)中時(shí)間測(cè)量方法29-35
• 2.1.1 時(shí)間檢出方法29-33
• 2.1.1.1 前沿定時(shí)30-31
• 2.1.1.2 恒比定時(shí)31-33
• 2.1.1.3 幅度和上升時(shí)間補(bǔ)償定時(shí)33
• 2.1.2 時(shí)間數(shù)字化方法33-35
• 2.1.2.1 基于FPGA實(shí)現(xiàn)的TDC33-34
• 2.1.2.2 高精度時(shí)間數(shù)字變換ASIC34-35
• 2.2 物理實(shí)驗(yàn)中電荷測(cè)量方法35-40
• 2.2.1 成形尋峰36-37
• 2.2.2 波形數(shù)字化37-38
• 2.2.3 過閾時(shí)間法38-40
• 2.3 模擬ASIC信號(hào)處理的兩種方法：電壓模和電流模40-41
• 2.4 應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和電荷測(cè)量ASIC調(diào)研41-59
• 2.4.1 PARISROC41-47
• 2.4.1.1 PARISROC電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)42-44
• 2.4.1.2 PARISROC版圖設(shè)計(jì)和輸入信號(hào)特點(diǎn)44
• 2.4.1.3 PARISROC測(cè)試性能44-47
• 2.4.2 SPIROC47-52
• 2.4.2.1 SPIROC電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)47-49
• 2.4.2.2 SPIROC工作模式和版圖設(shè)計(jì)49-50
• 2.4.2.3 SPIROC測(cè)試性能50-52
• 2.4.3 SCOTT52-54
• 2.4.3.1 SCOTT技術(shù)路線和電路結(jié)構(gòu)52-53
• 2.4.3.2 SCOTT測(cè)試性能53-54
• 2.4.4 CLC10154-59
• 2.4.4.1 CLC101輸入信號(hào)特點(diǎn)55
• 2.4.4.2 CLC101電路結(jié)構(gòu)及原理55-57
• 2.4.4.3 CLC101測(cè)試性能57-59
• 2.5 本章小結(jié)59
• 參考文獻(xiàn)59-61
• 第3章 基于電流型TOT技術(shù)的PMT讀出ASIC設(shè)計(jì)方案61-77
• 3.1 輸入信號(hào)特點(diǎn)及指標(biāo)要求63-64
• 3.2 ASIC設(shè)計(jì)技術(shù)路線64-65
• 3.3 ASIC整體設(shè)計(jì)方案65-75
• 3.3.1 4000倍大動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)65-66
• 3.3.2 高精度阻抗匹配實(shí)現(xiàn)66-68
• 3.3.2.1 陽(yáng)極讀出通道阻抗匹配考慮66-67
• 3.3.2.2 打拿極讀出通道阻抗匹配考慮67-68
• 3.3.3 電流型前沿定時(shí)甄別68-70
• 3.3.4 基于過閾時(shí)間法的電荷測(cè)量70-73
• 3.3.4.1 電荷測(cè)量原理70-71
• 3.3.4.2 電荷測(cè)量數(shù)字邏輯71-72
• 3.3.4.3 充放電過程開關(guān)控制72
• 3.3.4.4 固定門寬充電方案72-73
• 3.3.5 ASIC電路結(jié)構(gòu)73-75
• 3.4 本章小結(jié)75
• 參考文獻(xiàn)75-77
• 第4章 ASIC單元電路設(shè)計(jì)77-113
• 4.1 片外輸入耦合電路設(shè)計(jì)79-82
• 4.1.1 陽(yáng)極通道輸入耦合電路設(shè)計(jì)79-82
• 4.1.2 打拿極通道輸入耦合電路設(shè)計(jì)82
• 4.2 前置放大器設(shè)計(jì)與分析82-88
• 4.2.1 輸入信號(hào)及負(fù)載特點(diǎn)82-83
• 4.2.2 噪聲分析83-85
• 4.2.3 仿真結(jié)果85-88
• 4.3 電壓電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與分析88-95
• 4.3.1 經(jīng)典電壓電流轉(zhuǎn)換電路88-89
• 4.3.2 基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結(jié)構(gòu)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路89-95
• 4.3.2.1 基于低輸入阻抗的電壓電流轉(zhuǎn)換原理89-90
• 4.3.2.2 翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)90-92
• 4.3.2.3 基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結(jié)構(gòu)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路92-93
• 4.3.2.4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路仿真結(jié)果93-95
• 4.4 電流舵DAC設(shè)計(jì)95-105
• 4.4.1 DAC主要性能指標(biāo)96-97
• 4.4.2 DAC主要結(jié)構(gòu)類型97-102
• 4.4.2.1 電阻串DAC97-98
• 4.4.2.2 多級(jí)電阻串DAC98
• 4.4.2.3 R-2R電阻DAC98-99
• 4.4.2.4 電阻分段DAC99
• 4.4.2.5 電荷重分配DAC99-100
• 4.4.2.6 溫度計(jì)編碼電流舵DAC100
• 4.4.2.7 二進(jìn)制權(quán)重電流舵DAC100-101
• 4.4.2.8 W-2W電流舵DAC101-102
• 4.4.3 電流舵DAC設(shè)計(jì)及分析102-105
• 4.4.3.1 DAC性能指標(biāo)要求102-103
• 4.4.3.2 二進(jìn)制權(quán)重電流舵DAC設(shè)計(jì)103-104
• 4.4.3.3 電流舵DAC仿真結(jié)果104-105
• 4.5 單穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)105-110
• 4.5.1 經(jīng)典積分型單穩(wěn)態(tài)106-107
• 4.5.2 經(jīng)典微分型單穩(wěn)態(tài)107
• 4.5.3 電流充電型單穩(wěn)態(tài)107-110
• 4.6 本章小結(jié)110
• 參考文獻(xiàn)110-113
• 第5章 ASIC前仿真結(jié)果及分析113-135
• 5.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形115-117
• 5.2 時(shí)間測(cè)量前仿真結(jié)果117-125
• 5.2.1 時(shí)間測(cè)量傳輸曲線117-118
• 5.2.2 時(shí)間測(cè)量精度仿真分析118-125
• 5.2.2.1 電流噪聲分析模型119-122
• 5.2.2.2 電壓噪聲分析模型122-125
• 5.3 電荷測(cè)量前仿真結(jié)果125-131
• 5.3.1 電荷測(cè)量傳輸曲線125-128
• 5.3.2 電荷測(cè)量精度仿真分析128-131
• 5.4 溫度依賴性仿真分析131-133
• 5.5 本章小結(jié)133
• 參考文獻(xiàn)133-135
• 第6章 ASIC版圖設(shè)計(jì)和后仿真結(jié)果135-143
• 6.1 ASIC版圖設(shè)計(jì)137-140
• 6.2 ASIC后仿真結(jié)果140-141
• 6.3 ASIC封裝141-142
• 6.4 本章小結(jié)142
• 參考文獻(xiàn)142-143
• 第7章 ASIC測(cè)試結(jié)果及分析143-159
• 7.1 ASIC測(cè)試方法145-147
• 7.2 ASIC測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)147-148
• 7.3 ASIC測(cè)試結(jié)果及分析148-158
• 7.3.1 功能性測(cè)試149
• 7.3.2 單通道測(cè)試結(jié)果149-155
• 7.3.2.1 短電纜傳輸時(shí)間電荷測(cè)量149-151
• 7.3.2.2 長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)間電荷測(cè)量151-153
• 7.3.2.3 輸入率依賴性測(cè)試153-154
• 7.3.2.4 TDC聯(lián)調(diào)測(cè)試154-155
• 7.3.3 多芯片性能測(cè)試155-158
• 7.4 本章小結(jié)158-159
• 第8章 總結(jié)與展望159-163
• 8.1 總結(jié)161-162
• 8.2 展望162-163
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表及待發(fā)表的學(xué)術(shù)論文163-165
• 致謝165

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

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本文編號(hào)：606841