基于开关电容阵列的高速波形数字化ASIC研究
发布时间：2022-11-12 17:34
在粒子物理实验中,探测器输出的原始脉冲波形蕴含了丰富的物理信息,而波形数字化技术为提取全面的波形信息提供了最直接、最有效的途径。传统的波形数字化技术是基于高速ADC实现的,但随着大规模粒子物理实验中通道数的急剧增加,高速ADC受其功耗大、集成度低和成本高等因素限制逐渐不能满足粒子物理实验的需求。而基于开关电容阵列技术（Switched-CapacitorArray,SCA）的波形数字化方案采用高速采样配合相对低速量化的方法解决了高速采样和低功耗之间的矛盾,其核心是进行SCA专用集成电路（ASIC）的设计。此方向是目前国际上该领域电子学的一个研究热点,特别是在高精度时间测量方面,SCA ASIC因其优异的表现受到越来越多的关注。到目前为止,国际上已经有多款SCAASIC被研制和使用,国内在这一领域也已经开始进行探索。本论文在调研典型SCAASIC的基础上,瞄准高精度时间测量的需求,进行了基于SCA架构的原型芯片的研究和设计。并针对SCA采样间隔不均匀的特性提出了相关时间修正算法。本论文的结构组织如下:第一章首先分析了粒子物理实验中前端电子学的特点和发展趋势,阐明了波形数字化技术是前端电子...
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 粒子物理实验中的电子学及其发展
1.1.1 粒子物理实验简介
1.1.2 粒子物理实验中电子学的特点
1.1.3 粒子物理实验中电子学的发展趋势
1.2 粒子物理实验中波形数字化技术的应用与发展
1.2.1 基于高速ADC的波形数字化技术的应用与发展
1.2.2 基于SCA的波形数字化技术的应用与发展
1.3 论文研究内容
参考文献
第二章 基于SCA的波形数字化技术调研
2.1 SCA ASIC工作原理
2.2 典型SCA ASIC芯片介绍
2.2.1 ATWD
2.2.2 SAM
2.2.3 DRS4
2.2.4 PSEC4
2.2.5 SAMPIC
2.2.6 几种典型SCA芯片的性能比较
2.2.7 SCA芯片的发展趋势
2.3 SCA芯片在高精度时间测量领域的应用探索
2.4 本章小结
参考文献
第三章 基于SCA的波形数字化ASIC方案设计
3.1 设计需求分析
3.1.1 指标参数分析
3.1.2 技术实现难点
3.2 芯片方案设计
3.2.1 高模拟带宽的实现方案
3.2.2 高精度实现方案
3.2.2.1 采样电路精度的提升
3.2.2.2 采样窗口的优化
3.2.2.3 单元读出耦合电路考虑
3.2.2.4 量化电路精度考虑
3.2.3 高速采样实现方案
3.2.4 片内量化和读出实现方案
3.2.5 ASIC整体结构
3.3 本章小结
参考文献
第四章 基于SCA的波形数字化原型ASIC电路设计
4.1 采样保持模块设计
4.1.1 采样电路的速度
4.1.2 采样电路的精度
4.1.2.1 KT/C噪声
4.1.2.2 电荷注入效应
4.1.2.3 时钟馈通效应
4.1.2.4 谐波失真
4.1.3 带宽分析
4.1.4 开关电容电路设计
4.1.4.1 单端输入结构
4.1.4.2 差分输入结构
4.2 单元读出耦合模块设计
4.2.1 采用buffer的设计
4.2.2 去除buffer的设计
4.3 量化模块设计
4.3.1 比较器
4.3.2 ramp产生电路
4.3.3 格雷码计数器
4.3.4 ADC时钟产生电路
4.4 采样时钟产生模块设计
4.4.1 DLL电路实现
4.4.1.1 延时单元
4.4.1.2 鉴相器
4.4.1.3 电荷泵
4.4.1.4 环路滤波器
4.4.1.5 启动电路
4.4.2 采样时钟整形电路
4.5 数据读出模块设计
4.5.1 采样停止位置编码
4.5.2 读出控制电路
4.6 芯片整体电路设计
4.7 芯片版图设计和封装
4.7.1 芯片版图设计
4.7.2 芯片封装
4.8 本章小结
参考文献
第五章 波形数字化ASIC性能评估与分析
5.1 测试系统设计
5.2 测试结果及分析
5.2.1 芯片工作情况
5.2.2 静态性能测试
5.2.3 动态性能测试
5.2.3.1 正弦波和PMT信号测试
5.2.3.2 交流频率响应
5.2.4 快脉冲测试
5.3 基于波形采样的高精度时间测量
5.3.1 采样间隔修正算法研究
5.3.1.1 “正弦波过零”法
5.3.1.2 全局时间修正法
5.3.1.3 基于超定线性方程组的修正算法
5.3.1.4 正弦波周期测试
5.3.2 基于波形采样的定时研究
5.3.2.1 几种定时方法的比较
5.3.2.2 脉冲间隔测试
5.4 本章小结
参考文献
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
附录 超定方程组的最小二乘解
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GTAF装置的FlashADC数据获取系统[J]. 张奇玮,贺国珠,黄兴,阮锡超,周祖英,朱兴华. 中国原子能科学研究院年报. 2013(00)
[2]大型强子对撞机时代的宇宙线实验[J]. 刘加丽,曹臻. 物理. 2011(10)
[3]双通道1Gsps波形取样电路研制[J]. 向海生,赵豫斌,江晓山,盛华义,赵京伟. 核电子学与探测技术. 2009(01)
[4]粒子物理实验中的精密时间间隔测量[J]. 安琪. 核技术. 2006(06)
博士论文
[1]基于FPGA的TIADC宽带信号硬件实时修正方法研究[D]. 高兴顺.中国科学技术大学 2017
[2]数字化波形采样技术在粒子探测中的应用与研究[D]. 杜成名.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
[3]基于开关电容矩阵的波形数字化技术研究[D]. 王进红.中国科学技术大学 2012
[4]基于时间并行交替技术的超高速高精度波形数字化研究[D]. 唐邵春.中国科学技术大学 2012
[5]锁相环频率合成器建模、设计与实现[D]. 张涛.华中科技大学 2006
本文编号：3706787
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 粒子物理实验中的电子学及其发展
1.1.1 粒子物理实验简介
1.1.2 粒子物理实验中电子学的特点
1.1.3 粒子物理实验中电子学的发展趋势
1.2 粒子物理实验中波形数字化技术的应用与发展
1.2.1 基于高速ADC的波形数字化技术的应用与发展
1.2.2 基于SCA的波形数字化技术的应用与发展
1.3 论文研究内容
参考文献
第二章 基于SCA的波形数字化技术调研
2.1 SCA ASIC工作原理
2.2 典型SCA ASIC芯片介绍
2.2.1 ATWD
2.2.2 SAM
2.2.3 DRS4
2.2.4 PSEC4
2.2.5 SAMPIC
2.2.6 几种典型SCA芯片的性能比较
2.2.7 SCA芯片的发展趋势
2.3 SCA芯片在高精度时间测量领域的应用探索
2.4 本章小结
参考文献
第三章 基于SCA的波形数字化ASIC方案设计
3.1 设计需求分析
3.1.1 指标参数分析
3.1.2 技术实现难点
3.2 芯片方案设计
3.2.1 高模拟带宽的实现方案
3.2.2 高精度实现方案
3.2.2.1 采样电路精度的提升
3.2.2.2 采样窗口的优化
3.2.2.3 单元读出耦合电路考虑
3.2.2.4 量化电路精度考虑
3.2.3 高速采样实现方案
3.2.4 片内量化和读出实现方案
3.2.5 ASIC整体结构
3.3 本章小结
参考文献
第四章 基于SCA的波形数字化原型ASIC电路设计
4.1 采样保持模块设计
4.1.1 采样电路的速度
4.1.2 采样电路的精度
4.1.2.1 KT/C噪声
4.1.2.2 电荷注入效应
4.1.2.3 时钟馈通效应
4.1.2.4 谐波失真
4.1.3 带宽分析
4.1.4 开关电容电路设计
4.1.4.1 单端输入结构
4.1.4.2 差分输入结构
4.2 单元读出耦合模块设计
4.2.1 采用buffer的设计
4.2.2 去除buffer的设计
4.3 量化模块设计
4.3.1 比较器
4.3.2 ramp产生电路
4.3.3 格雷码计数器
4.3.4 ADC时钟产生电路
4.4 采样时钟产生模块设计
4.4.1 DLL电路实现
4.4.1.1 延时单元
4.4.1.2 鉴相器
4.4.1.3 电荷泵
4.4.1.4 环路滤波器
4.4.1.5 启动电路
4.4.2 采样时钟整形电路
4.5 数据读出模块设计
4.5.1 采样停止位置编码
4.5.2 读出控制电路
4.6 芯片整体电路设计
4.7 芯片版图设计和封装
4.7.1 芯片版图设计
4.7.2 芯片封装
4.8 本章小结
参考文献
第五章 波形数字化ASIC性能评估与分析
5.1 测试系统设计
5.2 测试结果及分析
5.2.1 芯片工作情况
5.2.2 静态性能测试
5.2.3 动态性能测试
5.2.3.1 正弦波和PMT信号测试
5.2.3.2 交流频率响应
5.2.4 快脉冲测试
5.3 基于波形采样的高精度时间测量
5.3.1 采样间隔修正算法研究
5.3.1.1 “正弦波过零”法
5.3.1.2 全局时间修正法
5.3.1.3 基于超定线性方程组的修正算法
5.3.1.4 正弦波周期测试
5.3.2 基于波形采样的定时研究
5.3.2.1 几种定时方法的比较
5.3.2.2 脉冲间隔测试
5.4 本章小结
参考文献
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
附录 超定方程组的最小二乘解
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GTAF装置的FlashADC数据获取系统[J]. 张奇玮,贺国珠,黄兴,阮锡超,周祖英,朱兴华. 中国原子能科学研究院年报. 2013(00)
[2]大型强子对撞机时代的宇宙线实验[J]. 刘加丽,曹臻. 物理. 2011(10)
[3]双通道1Gsps波形取样电路研制[J]. 向海生,赵豫斌,江晓山,盛华义,赵京伟. 核电子学与探测技术. 2009(01)
[4]粒子物理实验中的精密时间间隔测量[J]. 安琪. 核技术. 2006(06)
博士论文
[1]基于FPGA的TIADC宽带信号硬件实时修正方法研究[D]. 高兴顺.中国科学技术大学 2017
[2]数字化波形采样技术在粒子探测中的应用与研究[D]. 杜成名.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
[3]基于开关电容矩阵的波形数字化技术研究[D]. 王进红.中国科学技术大学 2012
[4]基于时间并行交替技术的超高速高精度波形数字化研究[D]. 唐邵春.中国科学技术大学 2012
[5]锁相环频率合成器建模、设计与实现[D]. 张涛.华中科技大学 2006
本文编号：3706787
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