LHAASO WCDA中基于电流型TOT技术的前端读出ASIC设计

发布时间：2017-08-02 00:17

  本文关键词：LHAASO WCDA中基于电流型TOT技术的前端读出ASIC设计

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【摘要】：为探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究,由中国科学院高能物理研究所提出建设的大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO),将是世界上五大宇宙射线研究站之一。其中的水契伦科夫探测器阵列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)是其主要探测装置之一,其基本原理是通过光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)探测空气簇射形成的次级粒子在水中所产生的契伦科夫光。WCDA占地共9万平方米,共包含3600个PMT单元,测量动态范围为单光电子(1Photo Electron (PE))到4000光电子。对应地要求其读出电子学在4000倍的动态范围内实现高精度的时间和电荷测量,时间测量精度要求好于500ps,电荷测量精度要求好于30%@1PE,3%@4000PE。为简化WCDA读出电子学系统结构,本论文基于电流型过阈时间法(Time-Over-Threshold, TOT)进行了前端读出专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit. ASIC)的研究和设计,将前端所有模拟电路集成在单个芯片中。论文整体结构如下。 本论文第一章介绍了宇宙射线背景知识以及LHAASO实验的科学研究意义和探测器阵列的结构,其后重点介绍了其中的WCDA及其读出电子学的结构,包括WCDA的工作原理,PMT输出信号特征,以及读出电子学整体架构等。 第二章首先介绍了物理实验读出电子学中典型的时间和电荷测量方法,并比较了集成电路中电流模和电压模两种信号处理方法的特点,然后调研了国际上代表性的PMT读出ASIC,并且分析对比了它们的技术路线和性能指标。 针对LHAASO WCDA读出电子学的性能要求以及PMT输出信号特点,第三章对待研究ASIC的设计方案进行了讨论,并确定了电流型TOT的基本技术路线。时间测量采用电流型前沿定时技术,其输出同时作为电荷测量中线性充放电过程的控制信号。此ASIC输出经后端时间数字变换电路(Time-to-Digital Converter, TDC)处理后,即可同时实现时间和电荷的数字化。 第四章重点介绍了该ASIC的核心技术方法：通过对前置放大器输出信噪比的优化保证测量精度；设计高线性度的基于翻转电压跟随器结构的电压电流转换电路以提高电荷测量性能；使用电流舵DAC配置电流甄别器的阂值来提高芯片使用的灵活性；设计单稳态电路用于控制电荷测量的充放电过程以提高电荷测量线性度。 第五章介绍了该ASIC整体的系统前仿真结果,包括功能仿真、时间及电荷测量等。其中重点介绍了芯片时间和电荷测量精度的分析模型和相应仿真结果。仿真结果表明,在单光电子信号输入时,时间测量精度好于150ps,而电荷测量精度好于4%。 论文第六章介绍了该ASIC的版图设计、系统的后仿真结果以及封装的考虑。该PMT读出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工艺,尺寸为3mm×3mm,单芯片共集成6个信号通道,对应3个PMT的读出。后仿真结果表明此ASIC在单光电子信号输入时,其时间测量精度好于200ps,电荷测量精度好于5%,满足设计指标要求。 第七章主要介绍了此ASIC的测试方法和实验室性能测试结果。初步测试表明,此ASIC各通道的时间测量精度均好于300ps,电荷测量精度在单光电子信号输入时好于15%,4000光电子输入时好于1%,好于设计目标。
【关键词】：LHAASO WCDA 专用集成电路 大动态范围 电流模 过阈时间法(TOT)
【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】：2015
【分类号】：P172
【目录】：

• 目录5-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 引言14-27
• 1.1 大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)15-19
• 1.1.1 宇宙射线和高能伽玛射线简介15-16
• 1.1.2 LHAASO实验物理目标16-17
• 1.1.3 LHAASO实验探测器结构及特点17-19
• 1.2 LHAASO水契伦科夫探测器(WCDA)19-21
• 1.2.1 WCDA物理研究背景19-20
• 1.2.2 WCDA探测器结构及原理20-21
• 1.2.3 WCDA光电倍增管特性21
• 1.3 LHAASO WCDA读出电子学21-25
• 1.3.1 WCDA读出电子学技术难点21-22
• 1.3.2 WCDA读出电子学结构及特点22-24
• 1.3.3 WCDA前端读出ASIC设计24-25
• 1.4 本章小结25
• 参考文献25-27
• 第2章 物理实验中时间和电荷测量方法27-61
• 2.1 物理实验中时间测量方法29-35
• 2.1.1 时间检出方法29-33
• 2.1.1.1 前沿定时30-31
• 2.1.1.2 恒比定时31-33
• 2.1.1.3 幅度和上升时间补偿定时33
• 2.1.2 时间数字化方法33-35
• 2.1.2.1 基于FPGA实现的TDC33-34
• 2.1.2.2 高精度时间数字变换ASIC34-35
• 2.2 物理实验中电荷测量方法35-40
• 2.2.1 成形寻峰36-37
• 2.2.2 波形数字化37-38
• 2.2.3 过阈时间法38-40
• 2.3 模拟ASIC信号处理的两种方法：电压模和电流模40-41
• 2.4 应用于物理实验的时间和电荷测量ASIC调研41-59
• 2.4.1 PARISROC41-47
• 2.4.1.1 PARISROC电路结构及特点42-44
• 2.4.1.2 PARISROC版图设计和输入信号特点44
• 2.4.1.3 PARISROC测试性能44-47
• 2.4.2 SPIROC47-52
• 2.4.2.1 SPIROC电路结构及特点47-49
• 2.4.2.2 SPIROC工作模式和版图设计49-50
• 2.4.2.3 SPIROC测试性能50-52
• 2.4.3 SCOTT52-54
• 2.4.3.1 SCOTT技术路线和电路结构52-53
• 2.4.3.2 SCOTT测试性能53-54
• 2.4.4 CLC10154-59
• 2.4.4.1 CLC101输入信号特点55
• 2.4.4.2 CLC101电路结构及原理55-57
• 2.4.4.3 CLC101测试性能57-59
• 2.5 本章小结59
• 参考文献59-61
• 第3章 基于电流型TOT技术的PMT读出ASIC设计方案61-77
• 3.1 输入信号特点及指标要求63-64
• 3.2 ASIC设计技术路线64-65
• 3.3 ASIC整体设计方案65-75
• 3.3.1 4000倍大动态范围实现65-66
• 3.3.2 高精度阻抗匹配实现66-68
• 3.3.2.1 阳极读出通道阻抗匹配考虑66-67
• 3.3.2.2 打拿极读出通道阻抗匹配考虑67-68
• 3.3.3 电流型前沿定时甄别68-70
• 3.3.4 基于过阈时间法的电荷测量70-73
• 3.3.4.1 电荷测量原理70-71
• 3.3.4.2 电荷测量数字逻辑71-72
• 3.3.4.3 充放电过程开关控制72
• 3.3.4.4 固定门宽充电方案72-73
• 3.3.5 ASIC电路结构73-75
• 3.4 本章小结75
• 参考文献75-77
• 第4章 ASIC单元电路设计77-113
• 4.1 片外输入耦合电路设计79-82
• 4.1.1 阳极通道输入耦合电路设计79-82
• 4.1.2 打拿极通道输入耦合电路设计82
• 4.2 前置放大器设计与分析82-88
• 4.2.1 输入信号及负载特点82-83
• 4.2.2 噪声分析83-85
• 4.2.3 仿真结果85-88
• 4.3 电压电流转换电路设计与分析88-95
• 4.3.1 经典电压电流转换电路88-89
• 4.3.2 基于翻转电压跟随器结构的电压电流转换电路89-95
• 4.3.2.1 基于低输入阻抗的电压电流转换原理89-90
• 4.3.2.2 翻转电压跟随器结构与特点90-92
• 4.3.2.3 基于翻转电压跟随器结构的电压电流转换电路92-93
• 4.3.2.4 电压电流转换电路仿真结果93-95
• 4.4 电流舵DAC设计95-105
• 4.4.1 DAC主要性能指标96-97
• 4.4.2 DAC主要结构类型97-102
• 4.4.2.1 电阻串DAC97-98
• 4.4.2.2 多级电阻串DAC98
• 4.4.2.3 R-2R电阻DAC98-99
• 4.4.2.4 电阻分段DAC99
• 4.4.2.5 电荷重分配DAC99-100
• 4.4.2.6 温度计编码电流舵DAC100
• 4.4.2.7 二进制权重电流舵DAC100-101
• 4.4.2.8 W-2W电流舵DAC101-102
• 4.4.3 电流舵DAC设计及分析102-105
• 4.4.3.1 DAC性能指标要求102-103
• 4.4.3.2 二进制权重电流舵DAC设计103-104
• 4.4.3.3 电流舵DAC仿真结果104-105
• 4.5 单稳态电路设计105-110
• 4.5.1 经典积分型单稳态106-107
• 4.5.2 经典微分型单稳态107
• 4.5.3 电流充电型单稳态107-110
• 4.6 本章小结110
• 参考文献110-113
• 第5章 ASIC前仿真结果及分析113-135
• 5.1 关键节点波形115-117
• 5.2 时间测量前仿真结果117-125
• 5.2.1 时间测量传输曲线117-118
• 5.2.2 时间测量精度仿真分析118-125
• 5.2.2.1 电流噪声分析模型119-122
• 5.2.2.2 电压噪声分析模型122-125
• 5.3 电荷测量前仿真结果125-131
• 5.3.1 电荷测量传输曲线125-128
• 5.3.2 电荷测量精度仿真分析128-131
• 5.4 温度依赖性仿真分析131-133
• 5.5 本章小结133
• 参考文献133-135
• 第6章 ASIC版图设计和后仿真结果135-143
• 6.1 ASIC版图设计137-140
• 6.2 ASIC后仿真结果140-141
• 6.3 ASIC封装141-142
• 6.4 本章小结142
• 参考文献142-143
• 第7章 ASIC测试结果及分析143-159
• 7.1 ASIC测试方法145-147
• 7.2 ASIC测试系统设计147-148
• 7.3 ASIC测试结果及分析148-158
• 7.3.1 功能性测试149
• 7.3.2 单通道测试结果149-155
• 7.3.2.1 短电缆传输时间电荷测量149-151
• 7.3.2.2 长电缆传输时间电荷测量151-153
• 7.3.2.3 输入率依赖性测试153-154
• 7.3.2.4 TDC联调测试154-155
• 7.3.3 多芯片性能测试155-158
• 7.4 本章小结158-159
• 第8章 总结与展望159-163
• 8.1 总结161-162
• 8.2 展望162-163
• 攻读学位期间发表及待发表的学术论文163-165
• 致谢165

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 曹臻;;A future project at tibet:the large high altitude air shower observatory(LHAASO)[J];中国物理C;2010年02期

2 白云翔;肖刚;曹臻;;用大气荧光观测超高能宇宙线的τ中微子望远镜(CRTNT)性能研究(英文)[J];高能物理与核物理;2006年09期

3 赵雷;刘树彬;安琪;;Proposal of the readout electronics for the WCDA in the LHAASO experiment[J];Chinese Physics C;2014年01期

4 马宇倩,况浩怀,白新华;宇宙线天体物理中的几个重要问题[J];物理学进展;1998年04期

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本文编号：606841