基于成形寻峰技术的大动态范围PMT读出ASIC研究

发布时间：2017-12-13 11:17

  本文关键词：基于成形寻峰技术的大动态范围PMT读出ASIC研究

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【摘要】：大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO,Large High Altitude Air ShowerObservatory)是国家发改委十二五计划中计划建设的大型科学装置,其瞄准宇宙线的起源问题,开展高能物理和天文学领域的前沿科学研究。水契伦科夫探测器阵列(WCDA, Water Cherenkov Detector Array)是LHAASO的一个重要组成部分,总面积约达8万平方米,要求对3000多个光电倍增管(PMT, Photon Multiplier Tube)进行读出。为了获得高精度的宽能谱的测量,WCDA的读出电子学要求在1～4000光电子(P.E., Photon Electron)大动态范围内进行高精度时间和电荷测量。其中,电荷测量精度要求好于30%@1 P.E.,3%@4000 P.E.,在1～4000全动态范围内时间精度要求好于0.5 ns RMS。为简化读出电子学结构、提升可靠性,本论文针对WCDA读出要求,基于放大成形、模数变换结合数字寻峰技术开展了大动态范围的PMT读出ASIC研究,并分别进行了前端放大成形ASIC和后端模拟-数字变换器(ADC, Analog-to-Digital Converter) ASIC原型电路的设计。本论文的结构组织如下。第一章首先介绍了LHAASO及其中WCDA的研究背景以及WCDA读出电子学的整体结构,然后探讨了基于ASIC技术实现前端模拟电路集成的方案及其优势,并概述了论文的工作内容。第二章包含物理实验读出电子学中典型的时间和电荷测量方法的调研和综述,并着重分析了一些代表性的PMT (PhotoMultiplier Tube)读出ASIC,讨论比较了它们的技术路线和性能指标,此部分工作为本论文的ASIC设计提供了重要参考。第三章针对WCDA使用的PMT信号特征和读出要求,提出基于ASIC技术实现的前端读出电子学设计方案。时间测量基于前沿定时结合时间-数字变换实现;电荷测量基于模拟信号放大成形、模数变换和数字寻峰逻辑实现。用于时间数字化的TDC和数字寻峰逻辑可以方便基于可编程器件FPGA (Field Programmable Gate Array)设计实现,而本论文则针对此方案中的核心电路,探索了放大成形电路和ADC电路的ASIC设计方法,并分别进行了原型ASIC的设计。第四章详细介绍了放大成形ASIC的设计和仿真结果,包括输入级电路、前放、成形电路、输出buffer和甄别器等核心电路的实现与优化。并通过系统仿真评估了此ASIC的性能指标。第五章主要阐述了ADC ASIC的设计和仿真结果。为实现低功耗的设计,本论文采用了逐次逼近寄存器结构(Successive Approximation Register, SAR)来实现ADC。 ADC ASIC的核心模块包括电容DAC、动态比较器和异步SAR控制逻辑。这些模块的设计和优化均基于速度、精度和功耗的平衡与优化。前仿真结果表明ADC ASIC在30-40 MSPS的采样率下有效位(ENOB, Effective Number ofBit)好于10 bit,核心电路单通道功耗为6.6 mW。后仿真结果中ENOB为9.7bit。第六章介绍了上述两种ASIC的实验室测试结果。放大成形ASIC的测试结果表明,其动态范围覆盖4000倍,时间甄别精度好于300 ps,电荷精度好于10%@ 1 P.E.,1%@ 4000 P.E.。 ADC ASIC测试结果表明,其稳定工作的采样速度可以达到31.25 Msps,在2.4MHz输入信号下ENOB好于9 bit,在15.5 MHz输入信号下有效位约8.6 bit,作为第一版ASIC原型设计,已达到阶段性目标。在未来工作中将在此基础上进行进一步的改进和优化。最后一章总结了论文的研究工作,并展望了下一步在此方向上的研究计划。
【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】：2016
【分类号】：TH75
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本文编号：1284953