本文關鍵詞：LHAASO WCDA中基于電流型TOT技術的前端讀出ASIC設計

  更多相關文章： LHAASO WCDA 專用集成電路 大動態(tài)范圍 電流模 過閾時間法(TOT)

【摘要】：為探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究,由中國科學院高能物理研究所提出建設的大型高海拔空氣簇射觀測站(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器陣列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)是其主要探測裝置之一,其基本原理是通過光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)探測空氣簇射形成的次級粒子在水中所產(chǎn)生的契倫科夫光。WCDA占地共9萬平方米,共包含3600個PMT單元,測量動態(tài)范圍為單光電子(1Photo Electron (PE))到4000光電子。對應地要求其讀出電子學在4000倍的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的時間和電荷測量,時間測量精度要求好于500ps,電荷測量精度要求好于30%@1PE,3%@4000PE。為簡化WCDA讀出電子學系統(tǒng)結構,本論文基于電流型過閾時間法(Time-Over-Threshold, TOT)進行了前端讀出專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit. ASIC)的研究和設計,將前端所有模擬電路集成在單個芯片中。論文整體結構如下。 本論文第一章介紹了宇宙射線背景知識以及LHAASO實驗的科學研究意義和探測器陣列的結構,其后重點介紹了其中的WCDA及其讀出電子學的結構,包括WCDA的工作原理,PMT輸出信號特征,以及讀出電子學整體架構等。 第二章首先介紹了物理實驗讀出電子學中典型的時間和電荷測量方法,并比較了集成電路中電流模和電壓模兩種信號處理方法的特點,然后調(diào)研了國際上代表性的PMT讀出ASIC,并且分析對比了它們的技術路線和性能指標。 針對LHAASO WCDA讀出電子學的性能要求以及PMT輸出信號特點,第三章對待研究ASIC的設計方案進行了討論,并確定了電流型TOT的基本技術路線。時間測量采用電流型前沿定時技術,其輸出同時作為電荷測量中線性充放電過程的控制信號。此ASIC輸出經(jīng)后端時間數(shù)字變換電路(Time-to-Digital Converter, TDC)處理后,即可同時實現(xiàn)時間和電荷的數(shù)字化。 第四章重點介紹了該ASIC的核心技術方法：通過對前置放大器輸出信噪比的優(yōu)化保證測量精度；設計高線性度的基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結構的電壓電流轉(zhuǎn)換電路以提高電荷測量性能；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；設計單穩(wěn)態(tài)電路用于控制電荷測量的充放電過程以提高電荷測量線性度。 第五章介紹了該ASIC整體的系統(tǒng)前仿真結果,包括功能仿真、時間及電荷測量等。其中重點介紹了芯片時間和電荷測量精度的分析模型和相應仿真結果。仿真結果表明,在單光電子信號輸入時,時間測量精度好于150ps,而電荷測量精度好于4%。 論文第六章介紹了該ASIC的版圖設計、系統(tǒng)的后仿真結果以及封裝的考慮。該PMT讀出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工藝,尺寸為3mm×3mm,單芯片共集成6個信號通道,對應3個PMT的讀出。后仿真結果表明此ASIC在單光電子信號輸入時,其時間測量精度好于200ps,電荷測量精度好于5%,滿足設計指標要求。 第七章主要介紹了此ASIC的測試方法和實驗室性能測試結果。初步測試表明,此ASIC各通道的時間測量精度均好于300ps,電荷測量精度在單光電子信號輸入時好于15%,4000光電子輸入時好于1%,好于設計目標。
【關鍵詞】：LHAASO WCDA 專用集成電路 大動態(tài)范圍 電流模 過閾時間法(TOT)
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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站(LHAASO)15-19
• 1.1.1 宇宙射線和高能伽瑪射線簡介15-16
• 1.1.2 LHAASO實驗物理目標16-17
• 1.1.3 LHAASO實驗探測器結構及特點17-19
• 1.2 LHAASO水契倫科夫探測器(WCDA)19-21
• 1.2.1 WCDA物理研究背景19-20
• 1.2.2 WCDA探測器結構及原理20-21
• 1.2.3 WCDA光電倍增管特性21
• 1.3 LHAASO WCDA讀出電子學21-25
• 1.3.1 WCDA讀出電子學技術難點21-22
• 1.3.2 WCDA讀出電子學結構及特點22-24
• 1.3.3 WCDA前端讀出ASIC設計24-25
• 1.4 本章小結25
• 參考文獻25-27
• 第2章 物理實驗中時間和電荷測量方法27-61
• 2.1 物理實驗中時間測量方法29-35
• 2.1.1 時間檢出方法29-33
• 2.1.1.1 前沿定時30-31
• 2.1.1.2 恒比定時31-33
• 2.1.1.3 幅度和上升時間補償定時33
• 2.1.2 時間數(shù)字化方法33-35
• 2.1.2.1 基于FPGA實現(xiàn)的TDC33-34
• 2.1.2.2 高精度時間數(shù)字變換ASIC34-35
• 2.2 物理實驗中電荷測量方法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 過閾時間法38-40
• 2.3 模擬ASIC信號處理的兩種方法：電壓模和電流模40-41
• 2.4 應用于物理實驗的時間和電荷測量ASIC調(diào)研41-59
• 2.4.1 PARISROC41-47
• 2.4.1.1 PARISROC電路結構及特點42-44
• 2.4.1.2 PARISROC版圖設計和輸入信號特點44
• 2.4.1.3 PARISROC測試性能44-47
• 2.4.2 SPIROC47-52
• 2.4.2.1 SPIROC電路結構及特點47-49
• 2.4.2.2 SPIROC工作模式和版圖設計49-50
• 2.4.2.3 SPIROC測試性能50-52
• 2.4.3 SCOTT52-54
• 2.4.3.1 SCOTT技術路線和電路結構52-53
• 2.4.3.2 SCOTT測試性能53-54
• 2.4.4 CLC10154-59
• 2.4.4.1 CLC101輸入信號特點55
• 2.4.4.2 CLC101電路結構及原理55-57
• 2.4.4.3 CLC101測試性能57-59
• 2.5 本章小結59
• 參考文獻59-61
• 第3章 基于電流型TOT技術的PMT讀出ASIC設計方案61-77
• 3.1 輸入信號特點及指標要求63-64
• 3.2 ASIC設計技術路線64-65
• 3.3 ASIC整體設計方案65-75
• 3.3.1 4000倍大動態(tài)范圍實現(xiàn)65-66
• 3.3.2 高精度阻抗匹配實現(xiàn)66-68
• 3.3.2.1 陽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 電流型前沿定時甄別68-70
• 3.3.4 基于過閾時間法的電荷測量70-73
• 3.3.4.1 電荷測量原理70-71
• 3.3.4.2 電荷測量數(shù)字邏輯71-72
• 3.3.4.3 充放電過程開關控制72
• 3.3.4.4 固定門寬充電方案72-73
• 3.3.5 ASIC電路結構73-75
• 3.4 本章小結75
• 參考文獻75-77
• 第4章 ASIC單元電路設計77-113
• 4.1 片外輸入耦合電路設計79-82
• 4.1.1 陽極通道輸入耦合電路設計79-82
• 4.1.2 打拿極通道輸入耦合電路設計82
• 4.2 前置放大器設計與分析82-88
• 4.2.1 輸入信號及負載特點82-83
• 4.2.2 噪聲分析83-85
• 4.2.3 仿真結果85-88
• 4.3 電壓電流轉(zhuǎn)換電路設計與分析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)電壓跟隨器結構的電壓電流轉(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)電壓跟隨器結構與特點90-92
• 4.3.2.3 基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結構的電壓電流轉(zhuǎn)換電路92-93
• 4.3.2.4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路仿真結果93-95
• 4.4 電流舵DAC設計95-105
• 4.4.1 DAC主要性能指標96-97
• 4.4.2 DAC主要結構類型97-102
• 4.4.2.1 電阻串DAC97-98
• 4.4.2.2 多級電阻串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 溫度計編碼電流舵DAC100
• 4.4.2.7 二進制權重電流舵DAC100-101
• 4.4.2.8 W-2W電流舵DAC101-102
• 4.4.3 電流舵DAC設計及分析102-105
• 4.4.3.1 DAC性能指標要求102-103
• 4.4.3.2 二進制權重電流舵DAC設計103-104
• 4.4.3.3 電流舵DAC仿真結果104-105
• 4.5 單穩(wěn)態(tài)電路設計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110
• 參考文獻110-113
• 第5章 ASIC前仿真結果及分析113-135
• 5.1 關鍵節(jié)點波形115-117
• 5.2 時間測量前仿真結果117-125
• 5.2.1 時間測量傳輸曲線117-118
• 5.2.2 時間測量精度仿真分析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 電荷測量前仿真結果125-131
• 5.3.1 電荷測量傳輸曲線125-128
• 5.3.2 電荷測量精度仿真分析128-131
• 5.4 溫度依賴性仿真分析131-133
• 5.5 本章小結133
• 參考文獻133-135
• 第6章 ASIC版圖設計和后仿真結果135-143
• 6.1 ASIC版圖設計137-140
• 6.2 ASIC后仿真結果140-141
• 6.3 ASIC封裝141-142
• 6.4 本章小結142
• 參考文獻142-143
• 第7章 ASIC測試結果及分析143-159
• 7.1 ASIC測試方法145-147
• 7.2 ASIC測試系統(tǒng)設計147-148
• 7.3 ASIC測試結果及分析148-158
• 7.3.1 功能性測試149
• 7.3.2 單通道測試結果149-155
• 7.3.2.1 短電纜傳輸時間電荷測量149-151
• 7.3.2.2 長電纜傳輸時間電荷測量151-153
• 7.3.2.3 輸入率依賴性測試153-154
• 7.3.2.4 TDC聯(lián)調(diào)測試154-155
• 7.3.3 多芯片性能測試155-158
• 7.4 本章小結158-159
• 第8章 總結與展望159-163
• 8.1 總結161-162
• 8.2 展望162-163
• 攻讀學位期間發(fā)表及待發(fā)表的學術論文163-165
• 致謝165

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 曹臻;;A future project at tibet:the large high altitude air shower observatory(LHAASO)[J];中國物理C;2010年02期

2 白云翔;肖剛;曹臻;;用大氣熒光觀測超高能宇宙線的τ中微子望遠鏡(CRTNT)性能研究(英文)[J];高能物理與核物理;2006年09期

3 趙雷;劉樹彬;安琪;;Proposal of the readout electronics for the WCDA in the LHAASO experiment[J];Chinese Physics C;2014年01期

4 馬宇倩,況浩懷,白新華;宇宙線天體物理中的幾個重要問題[J];物理學進展;1998年04期

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本文編號：606841