一款应用于Si探测器读出的多通道低噪前置放大器ASIC芯片

发布时间：2020-03-25 08:01

【摘要】：在粒子物理与核物理实验中,由于硅微条探测器具有非常快的时间相应、良好的位置分辨率和很高的能量分辨率等特性,通常作为顶点探测器,测量各种带电粒子的运动轨迹、对撞后末态粒子的次级顶点和带电粒子的动量。由于硅微条探测器输出信号一般比较小,工作电磁环境复杂,为了放大信号,降低噪声,提高信号信噪比,前置放大器作为读出电子学系统第一级有源电路,需要对得到硅微条输出信号进行预放大和降噪处理。由于顶点探测器一般采用硅微条探测器阵列会有很成千上百路读出条,具有高分辨率、高探测效率等特点。因此对前端电子读出系统提出低噪声、低功耗、高集成度等要求。本文根据硅微条探测器输出信号特点,通过分析不同前置放大器电路结构性能和不同噪声特点,设计了一款应用于Si探测器读出的多通道低噪前置放大器ASIC芯片。通过对电路进行设计优化和仿真后,实现两档转换增益分别为1mV/fC与2mV/fC。当转换增益为1mV/fC,输入动态范围为20fC-830fC时,线性度好于1%,芯片单通道功耗6.36mW。该芯片将与实验室主放芯片结合,共同实现硅微条探测器的读出电路系统。芯片设计采用0.18μm CMOS Global Foundries工艺库,通过晶圆代工厂的多项目进行流片,完成流片后,裸片送交封装厂封装。
【图文】：

硅微条探测器,电荷灵敏,前置放大,偏置电路

硅微条探测器其中一个通道的电路结构如图4.2所示，是由偏置电路、电荷灵敏前置放大

输出波形,单通道,电路结构

厚度为 296um。图 4.1 硅微条探测器其中一个通道的电路结构如图 4.2 所示，是由偏置电路、电荷灵敏前置放大器和极零相消电路构成。图 4.2 CSA+PZC 单通道电路结构该单通道电路原理结构采用的是图 3.3 中所示电路，CSA 核心放大器采用如图 3.4 中所示折叠共源共栅电路结构。为了增加能量测量范围，CSA 的反馈电容Cf采用 1pF、2pF 两个档位，，通过仿真两档位测量的能量范围分别为 20fC~830fC,20 fC ~1600 fC。当反馈电容 Cf=20pF 时,输入电荷量为 150fC,得到前放的输出波形如图 4.3（a），极零相消电路输出波形为图 4.3（b）。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722

【参考文献】