气体探测器前端读出ASIC芯片设计及关键技术研究

发布时间：2021-10-23 22:21

　　加速器的放射性束流线上开展远离稳定线核素的研究工作,特别是研制新型气体探测器测量高流强的束流径迹,用于开展高流强束流诊断和新粒子鉴别的研究工作。时间投影室（TPC）是一种广泛使用的气体探测器,它具有高精度的三维径迹探测能力,并能给出粒子的动量以及能损信息,因此近年来在实验物理领域获得了广泛应用。基于GEM（Gas Electron Multiplier,气体电子倍增器）的GEM-TPC相对于传统的多丝结构,在计数率、正离子反馈、位置分辨方面具有较强的优势。为了能尽可能大的覆盖实验产物的相空间,大面积GEM-TPC探测器成为实验上的首选,因此对读出电子学系统提出高速、高集成度、低功耗的要求。更高的要求必然带来新技术及新方法上的重大挑战,国际上很多实验室都开发了用于探测器读出的专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路）芯片,并建立了与之相配的读出电子学系统。ASIC芯片的利用,极大简化了前端电子学的设计,减少了功耗开销和硬件支出,因此前端读出ASIC芯片的设计与研制成为我们亟待解决的关键核心技术。本论文针对气体探测器... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省

【文章页数】：127 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

HIRFL的总体布局图（图来自[1]）

气体探测器前端读出专用集成电路设计16图2.7AGET芯片的整体结构（图来自[25]）Figure2.7ThestructreofAGET（Figurefrom[25]）表格2-1AGET芯片的性能参数指标值极性双极性通道数量64输入动态范围120fC,240fC,1pC,10pC每通道独立可调输出动态范围2Vpp差分信号积分非线性<2%能量分辨<850e-(增益120fC,达峰时间200ns,探测器电容<30pF)达峰时间50ns至1μs(16档)采样数量512或2x256单元采样频率1MHz至100MHz读出频率25MHz测试模式任意64通道之一功耗<10mW/channel@3.3V

气体探测器前端读出专用集成电路设计22SAMPA芯片中集成了模拟前端、ADC、数字信号处理(DSP)三部分电路，属于模数混合芯片。该芯片的整体结构如图2.14所示：单芯片集成32通道，每通道都包含前放、极零相消、T型低通滤波器电压偏移电路，10bit20MSps采样率的逐次逼近形（SAR）ADC。多通道的信号经过ADC数字化后，在DSP中进行数字滤波压缩处理。在性能指标上，该芯片可以处理双极性信号，具有4mV/fC，20mV/fC和30mV/fC三档增益与160ns，300ns两档成形时间。芯片供电电压为1.25V，低电压能够降低功耗，但同时也会限制模拟电路的动态范围，数字噪声对模拟电路的影响也会更严重。图2.14SAMPA芯片结构图（图来自[5]）Figure2.14ThestructureofSAMPA（Figurefrom[5][5]）表格2-3SAMPA芯片参数列表参数项取值范围供电电压通道数输入信号极性达峰时间线性范围前放增益非线性（CSA+Shaper）ADC有效输入范围ADC精度ADC采样频率1.25V32正/负160ns/300ns500fC,100fC,67fC4mV/fC,20mV/fC,30mV/fC<1%2Vpp10bit5MSps/10MSps


本文编号：3454023