实现了基于成形和模数变换的电荷测量的前端模拟ASIC电路-Indico.PPTVIP

考虑到水密和电路稳定性，系统设计时没有使用前置放大器 前端放大器按照前置放大器的分类来说使用了电流灵敏放大器（即电压—电压型放大器） 前放选择电流灵敏放大器的原因： 1）高精度的阻抗匹配，要求FEE输入端具有高输入阻抗（PMT输出端为高阻，始端全反射，为保证终端第二次反射不会误触发，终端理论上需要做到1.81%的阻抗匹配精度，采用冷阻很难实现），电流灵敏放大器具有高输入阻抗，电荷灵敏放大器由于具有较大的容抗，比较难做到高精度的阻抗匹配； 2）需要同时完成较高精度的前沿定时甄别，电流灵敏放大器输出信号的前沿较快，因而定时比较准确； * 1、电路结构：选择无源滤波器原因,为保证输ADC采样的幅度足够大，2级有源滤波器输出后需要加入一级增益级来放大输出幅度，噪声相对高一些(最后一级没有滤波) 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 * 1、电路结构：选择无源滤波器原因 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 为保证恢复时间较短，电荷测量死时间较短，tau值取值较小，tau值和信号的宽度tw比较接近，几十ns和20 ns左右 信噪比随tau值增加而减小（信号输出峰值随tau值增加而减小，噪声随tau值增加而减小） 恢复时间随tau值增加而增加 ADC寻峰量化误差随tau值增加而减小 反射对峰值的影响是前一个大信号的反射成形后对紧邻的后一个小信号成形波形的影响 * 1、电路结构：选择无源滤波器原因 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 * PE—peak转换曲线 INL Precision ADC 寻峰误差 * PE—peak转换曲线 INL Precision ADC 寻峰误差 * Timing jitter：noise 精度好于200 ps，考虑温漂 Time walk：13 ns Timing jitter：200 ps （仅考虑噪声时），温漂在200多ps，可以修正 * 阻抗匹配精度：1.81% 选择电流灵敏前放原因：阻抗匹配要求，前沿定时要求 无源滤波器： 前沿定时电路增益调整 * 中国科学技术大学 快电子学实验室 中国科学技术大学 快电子学实验室 中国科学技术大学 快电子学实验室 中国科学技术大学 快电子学实验室 基于成形和模数变换的电荷测量前端模拟ASIC设计 刘建峰 * 核探测与核电子学国家重点实验室 项目背景介绍 系统设计路线 芯片整体设计方案 方案实现与仿真结果 总结 主要内容 * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * 主要探测广延大气簇射产生的次级粒子 科学目标： 高能宇宙线起源以及相关宇宙演化、高能天体演化及暗物质研究 主要实验装置 WCDA(9万平方米) KM2A探测器(1km2) μ子探测器 电子探测器 大气切伦科夫望远镜 空气簇射芯探测器阵列 大型高海拔空气簇射观测站 (LHAASO)Large High Altitude Air Shower Observatory * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * 共4个面积为150 x 150 m2的水池 水池注满纯水，水池底部安装900个光电倍增管 共3600路高灵敏度光电倍增管读出 优点：全天候观测、大视场、低阈能、高角分辨 LHAASO中的水切伦柯夫探测器阵列Water Cherenkov Detector Array (WCDA) * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * WCDA前端读出电路设计需求 * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * 设计需求 设计指标 时间测量分辨率 1 ns 时间测量RMS 好于±0.5 ns 时间测量动态范围 2 us 两次击中最小时间间隔 100ns 电荷测量动态范围 范围：1-4000个光电子 D10电压：2.4 mV-9.6 V Anode电压：3 mV-12 V 芯片测量范围 D10电压：96 mV-9.6 V Anode电压：3 mV-300 mV 电荷测量精度 单光子：30% 4000光电子：3% 触发数据读出窗口 2 us 事例率 ~ 50 kHz PMT输出信号，前沿4.6 ns，后沿16 ns PMT输出信号经30 m电缆后，前沿5.3 ns，后沿21 ns PMT输出信号主要频率成分集中在200 MHz以下 PMT阳极输出信号特点 * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * 时域波形 频域分析 设计要求分析 高精度阻抗匹配（纯电阻+电压buffer） 大动态范围（1 – 4000 PE） 设计要求分析与技术路线考虑 * 中国科学技术大学 快电子学实验室 * 基于TOT技术的方法（QTC+TDC） 成形展宽型QTC方法（SFE16） 前端采用电压处理的充放电型QTC方法（CLC101） 全电流处理的充放电型QTC方法（TIMPIC-II） 基于QAC（电荷电压转换）