高速实时测量粒子径迹的ASIC芯片设计

发布时间：2020-11-03 10:08

　　 近年来,核物理和粒子物理的实验方法被广泛应用。在实验中多采用电子学的信号处理方法,实现对探测器输出信号的能量信息、位置信息和时间信息的测量与分析。微通道板(MCP)是一种大面阵、高空间分辨的多通道电子倍增探测器,可用于束流剖面的测试,实现束流的在线监视;也可用作径迹探测器,测量粒子的运动径迹及精确的时间信息。为了提高位置分辨率,探测器的读出条不断增加,对电子学系统提出了高速、低噪声、高集成度、低功耗等的要求。为了更快地实时读出探测粒子的径迹信息,因此需要更高计数率的读出系统。本设计基于以上需求,同时结合现有的理论基础,设计了一款用于微通道板探测器及气体探测器的ASIC芯片。利用该ASIC芯片、结合已研制的前放芯片和基于FPGA的计数器可高速实时地测量粒子入射到探测器的位置信息,从而实现束流剖面的测试和束流位置的实时监测。芯片单通道包括极零相消电路、低通滤波成形电路、甄别电路及脉冲整形电路等部分。芯片设计性能包括:四通道集成;动态范围0.004V到0.5V;在动态范围内,整体芯片的线性度优于0.6%;芯片的整体动态功耗28mW;计数率为1MCPS。芯片设计采用0.18μm的CMOS工艺,经过对原理图工艺角、蒙特卡洛的仿真以及对芯片版图的后仿分析,结果表明线性度好于0.5%,其他各项指标均满足预期要求。
【学位单位】：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
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：

芯片结构如图2.5 所示。芯片动态范围较大，从 17fC 到 70fC。具有 10、16、20 及 40mV/fC 四档增益，每个像素功耗较低为 190μW，前置运算放大器等效噪声为 250 个电子伏特，但是芯片非线性度较高[8]。2006 年，欧洲核子研究中心 CERN 的 COMPASS实验中，为 Bulk MicroMegas 的前端读出电路设计了一款 SFE16 芯片。为满足探测器 14000 路电子学通道的信息读出，传统的分立元件没法实现，因此设计了该款芯片。SFE16 芯片包含 16 个通道

达峰时间 50ns 下不同输入对应的输出波形及线性拟合分utput waveforms and linear fitting analysis results of diffepeak time of 50ns片灵敏度测试分析图,以此来观测本芯片最小能处理阈值电压高于基线电平 5mV 的特定条件下，对输入灵敏度为 0.78fC，转换增益为 4mV/fC，即芯片可以足本设计的预期指标。

第 3 章 粒子径迹探测 ASIC 芯片的设计原理到芯片可以接受的成品率。设计中对快工艺角（FF）、慢工艺角（SS工艺角（TT）分别进行了工艺角仿真以保证成品率，得出积分非线性 0.25%、0.18%、0.073%,符合误差要求。增益误差分别为 2.24、2.27、可以通过后期标定消除增益误差。
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 邓红辉;汪江;周福祥;;一种基于65 nm CMOS工艺的10位10 MS/s SAR ADC[J];微电子学;2017年03期

2 蒲天磊;千奕;苏弘;王晓辉;;PPAC探测器的多通道滤波成形芯片设计[J];核电子学与探测技术;2015年11期

3 苏弘,周波,李小刚,马晓莉;一种小型成形放大与峰保持电路[J];核电子学与探测技术;2004年06期

相关硕士学位论文 前1条

1 潘建华;微通道板扩口工艺及图像检测技术研究[D];南京理工大学;2004年

本文编号：2868440