ATLAS MDT二期升级前端电子学中的TDC ASIC研究

发布时间：2020-06-30 02:56

【摘要】：大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是世界上最大的,也是对撞能量最高的质子加速器。其在粒子质量起源、超对称物理、暗物质、高维物理等物理研究领域起到至关重要的作用。为了能使LHC发挥到最大作用,计划在未来十年中通过多次升级将其亮度提高十倍。超环面仪器(A Toroidal LHC ApparatuS,ATLAS)实验是LHC上最重要的通用目的探测器装置之一,可以对多种粒子进行精确测量,为精确测量和发现新的物理现象等物理学前沿课题提供强有力的工具。为了应对LHC升级后更高亮度的探测需求,ATLAS也需要进行一系列升级。监控漂移管室(Monitored Drift Tube chambers,MDT chambers)作为ATLAS中重要的子探测器系统可以提供精确的μ子动量测量。由于当LHC升级后现有的μ子探测系统的触发系统已经无法提供精度足够高的触发信号,因此计划在二期升级中将MDT chambers加入触发系统中以提高整个ATLAS探测器的触发精度及触发效率。为此MDT的前端电子学中核心的时间数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)专用集成电路(Application-specific integrated circuit,ASIC)需要进行重新设计以应对二期升级后MDT前端电子学的要求。重新设计后的TDC必须具有低读出延迟、低功耗、同时兼容无硬件触发和触发读出两种模式、高灵活度读出方式等特点。本论文针对MDT二期升级前端电子学的性能指标及应用需求,展开了多通道、低功耗、读出方式灵活的TDC ASIC研究,实际设计了一款基于CMOS 130 nm工艺的TDC芯片,并成功流片。测试结果显示此TDC成功达到本论文的研究目标。本论文的内容安排如下:第一章主要介绍了 ATLAS MDT探测器系统的现状以及其在升级过程遇到的挑战。现有的ATLAS探测器系统已经取得巨大成绩,然而现有的ATLAS MDT探测器系统无法应对LHC亮度升级后更高的数据率。为此需要对MDT探测系统的前端电子学进行重新设计,以获取精度更高、效率更好的触发和读出前端系统,其中的核心器件便是本文所研究的TDC ASIC。第二章主要介绍了目前主流的时间数字变换方法。时间是一个极为重要的物理量,在很多领域都有对其进行精确测量的需求。针对不同的应用需求,多种精确时间数字变换的方法被发展出来。本章中对多种变换方法进行了调研,分析其变换的原理,优缺点和适用的应用场景,以及其在FPGA或者ASIC上实现的案例。第三章介绍了本论文所研究芯片的具体指标,根据此指标和应用场景,选择了时钟分相技术作为本论文所研究TDC芯片进行细测量时间的技术路线,并确定了本论文所研究TDC芯片的整体架构。论文工作中针对时间量化电路核心模块时钟状态锁存器进行了研究,并提出了脉冲使能型的锁存器结构,实现了锁存器速度与功耗的优化设计。同时设计和实现了整个芯片的时间量化通道。第四章介绍了本论文针对MDT前端电子学需求所设计的TDC芯片读出逻辑。工作中对无硬件触发读出和触发读出两种模式进行了深入的研究。针对应用的场景设计了低延迟的无触发读出模式,以及基于通道内部CAM(Content Addressable Memory)的触发读出模式。本章还介绍了所研究的TDC芯片多种接口的设计和实现,包括配置接口、控制接口和数据接口。第五章主要介绍了本论文所研究TDC总体的实现情况以及其测试结果。基于CMOS 130 nm工艺,成功实现了集成24个前后沿测量通道、低功耗、读出方式灵活的TDC芯片。测试结果显示其Bin Size平均值为781.25 ps,不一致性小于±40 ps;时间测量精度在全量程范围内都好于276ps RMS(最好可达64 ps RMS);功耗小于250 mW;在丢包率小于0.1%的条件下读出延迟小于450 ns。上述性能满足了MDT二期升级前端电子学的需求。另外通过多通道进一步内插,可以得到Bin Size为195 ps,不一致性小于±10ps,时间测量精度在全量程范围内都好于69 ps RMS(最好可达43 ps RMS)的更高精度的TDC。最后一章对论文工作进行总结,并展望了下一步工作。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O572
【图文】：

１．１．１大型强子对撞机简介逡逑大型强子对揸机（Ｌａｒｇｅ邋Ｈａｄｒｏｎ邋Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，邋ＬＨＣ）是目前世界上人类建成的最逡逑大的科学实验装置［１］。如图１．１所示ＬＨＣ是一个环形的质子加速器，位于瑞士逡逑？法国边界，主体建设在地下５０米到１７５米之间，隧道总长度达２７公里。在加逡逑速器隧道中主要放置了两个相邻真空的质子管道，两个管道中的质子束团在管道逡逑中按照相反的方向运行，在对撞点进行对撞。ＬＨＣ上总共有四个对撞点。这四个逡逑对撞点分别进行着四个大型实验，分别为超环面仪器实验（Ａ邋Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋ＬＨＣ逡逑Ａｐｐａｒａｔｕｓ，邋ＡＴＬＡＳ）［２］，紧凑）！子线圈实验（Ｃｏｍｐａｃｔ邋Ｍｕｏｎ邋Ｓｏｌｅｎｏｉｄ，邋ＣＭＳ）［３］，逡逑大型离子对撞实验（Ａ邋Ｌａｒｇｅ邋Ｉｏｎ邋Ｃｏｌｌｉｄｅｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，邋ＡＬＩＣＥ）［４］以及邋ＬＨＣ邋底夸逡逑克实验（ＬＨＣ－ｂ）［５］。此外还有其他一些较小的实验也在ＬＨＣ上进行。逡逑

HL-LHC升住时间衰

本文编号：2734753