CEPC顶点探测器原型芯片MIC4的数字读出设计与实现

发布时间：2020-11-06 03:20

　　 自希格斯粒子被发现以来,精确测量该粒子的特性和探索超越标准模型的新物理逐渐成为高能物理领域的研究热点。为精确测量希格斯粒子的特性,我国科学家提出了环形正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider,CEPC)计划。单片有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensors,MAPS)是CEPC顶点探测器的核心部件,用于精确测量重味粒子与轻子的位置和时间信息,需具备高位置分辨率、高读出速率、低功耗以及抗辐照等特性。具备该特性且能够将所有像素位置信息独立的、不丢失的读出到芯片外同时面积较小的数字读出电路设计是MAPS设计的关键之一。本文主要研究工作是将经典的Token结构与AERD(Address Encode and Reset Decode)结构相结合提出了一种数据驱动型读出架构,并在Tower Jazz 180nm CIS工艺下设计流片,实现了CEPC顶点探测器中MAPS的数字读出。其具体研究内容和创新点如下:1.把Token与AERD结构相结合,提出了全新的数据驱动型读出架构:在8行8列共64个像素单元组成的超级像素中采用Token结构,超级像素外使用AERD结构。超级像素内用Token结构实现非零数据压缩、缩小面积,超级像素外用AERD实现16行8列超级像素阵列的快速读出与低功耗。结果表明:采用Token技术后超级像素面积可缩小至25μm×25μm,从而提高了位置分辨率。2.设计了无片上存储器且能实时输出数据的数字读出电路:在MAPS芯片内使用一个23bit× 16的小容量FIFO将像素阵列读出的23bit数据转换成8bit数据,再将该8bit数据进行组帧后输出,从而实现了MAPS的8位并行实时读出和减小芯片面积,每帧数据仅需0.425μs,当击中率较低时,数据帧中包含时间信息。3.数字读出电路的物理设计与测试:根据顶点探测器设计指标,对数字读出电路进行时序约束并使用Design Compiler生成门级网表,之后通过Encounter完成该网表的版图设计。通过对该MAPS芯片的数字读出进行测试,观察到了良好的成像效果,从而验证了数字读出设计的正确性。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN40;TP212
【部分图文】：

算、读出速度、抗辐射、功耗等性能之间提供合理的折中｜８１。??ＭＡＰＳ最重要的特征之一是将灵敏区部分（完成带电粒子探测）和读出电路??集成在同一硅基衬底上，如图１．１ＩＭ为其结构示意图。探测原理如下：在深度掺??杂的Ｐ型衬底（ｐ＋＋?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上，低掺杂的Ｐ型外延层（ｐ－ｅｐｉｔａｘｉａｌ）作为灵敏区，??在Ｐ外延层的上层是Ｎ阱（Ｎ－Ｗｅｌｌ）和Ｐ阱（Ｐ－Ｗｅｌｌ），Ｎ阱与Ｐ外延层形成类似光??敏二极管的结构，并通过电极连到Ｐ阱上ＮＭＯＳ的栅极⑴１。高能带电粒子穿过??Ｐ型外延层时电离产生一定数量的自由电荷载流子，通过热扩散，这些载流子??被Ｎ阱与Ｐ外延层形成的二极管收集起来，再通过ＮＭＯＳ的栅极控制在源极产??生电压信号，从而形成对带电粒子的探测。在此过程中，低掺杂外延层与其上??面的ｐ阱和下面的ｐ型衬底的界面处形成了势垒，像镜子反射一样阻碍载流子??的向下扩散

像素探测器读出??上面ＭＡＰＳ工作原理和结构可以看出，读出电路负责将所有像素单元出到芯片外部。目前像素探测器中的像素阵列包含成千上万个像素单元一个面积较小和功耗较低的数字读出电路能够将像素阵列中所有像素快速的、不丢失的读出到芯片外成为了?ＭＡＰＳ设计的关键问题。??前应用于高能物理领域的像素探测器读出方案主要有Ｇｌｏｂａｌ?Ｓｈｉｍｅｒｌ｜３】、???ＳｈｕｔｔｅＨ１４！、Ｔｏｋｅｄ１５】和ＡＥＲＤ丨１６］（这些读出方法将在第二章进行介绍）。??Ｓｈｕｔｔｅｒ每次同时打开和关闭所有像素，之后再读出，每次需要读出的因此读出时间长难以满足ＣＥＰＣ顶点探测器的要求。Ｒｏｌｌｉｎｇ?Ｓｈｕｔｔｅｒ读每次读出一行像素单元，粒子击中较少时读出效率较低。Ｔｏｋｅｎ读出与术中令牌环类似取得令牌才能读出，像素被击中时才会产生令牌但像延时较大，速度受限。ＡＥＲＤ读出是一种具有优先级的读出方式，可速读出和降低功耗，但面积较大。这些方案都难以达到ＣＥＰＣ顶点探。因此，需要根据ＣＥＰＣ顶点探测器要求设计新的的数字读出方案。下，本文提出了一种满足ＣＥＰＣ顶点探测器要求的新型读出方案，并

图２．１采用Ｒｏｌｌｉｎｇ－ｓｈｕｔｔｅｒ读出的ＭＡＰＳ芯片结构图??使用ｒｏｌｌｉｎｇｓｈｕｔｔｅｒ方案时，像素阵列中每行的积分时间点不一样，容易造??成如倾斜、拉伸、缩短等畸变。如图２．２＾１所示为采用ｒｏｌｌｉｎｇｓｈｕｔｔｅｒ读出方式，??被成像物体水平移动时，ｔｌ、ｔ２和ｔ３时刻被成像物体分别处于像素阵列的左侧、??中间和右侧，可以看到最终成像发生了畸变。???？??ｔｌ?ｔ２?ｔ３?Ｔｉｍｅ??二圆固??图?２．２?Ｒｏｌｌｉｎｇ?Ｓｈｕｔｔｅｒ?读出成像??２．３?Ｔｏｋｅｎ??Ｔｏｋｅｎ读出方式与计算机技术中令牌环原理相似。其读出方式是当令牌有效??时
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本文编号：2872583