LHAASO WCDA中基于電流型TOT技術(shù)的前端讀出ASIC設(shè)計(jì).pdf

1、為探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究，由中國科學(xué)院高能物理研究所提出建設(shè)的大型高海拔空氣簇射觀測站(LargeHigh Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)，將是世界上五大宇宙射線研究站之一。其中的水契倫科夫探測器陣列（Water Cherenkov Detector Array, WCDA）是其主要探測裝置之一，其基本原理是通過光電倍增管(Photomultip

2、lier Tube，PMT)探測空氣簇射形成的次級粒子在水中所產(chǎn)生的契倫科夫光。WCDA占地共9萬平方米，共包含3600個(gè)PMT單元，測量動(dòng)態(tài)范圍為單光電子(1 PhotoElectron(PE))到4000光電子。對應(yīng)地要求其讀出電子學(xué)在4000倍的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間和電荷測量，時(shí)間測量精度要求好于500ps，電荷測量精度要求好于30％@1PE，3％@4000PE。為簡化WCDA讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本論文基于電流型過閾時(shí)間法(

3、Time-Over-Threshold，TOT)進(jìn)行了前端讀出專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的研究和設(shè)計(jì)，將前端所有模擬電路集成在單個(gè)芯片中。論文整體結(jié)構(gòu)如下。
　　本論文第一章介紹了宇宙射線背景知識以及LHAASO實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究意義和探測器陣列的結(jié)構(gòu)，其后重點(diǎn)介紹了其中的WCDA及其讀出電子學(xué)的結(jié)構(gòu)，包括WCDA的工作原理，PMT輸出信號特征，以及讀出電子

4、學(xué)整體架構(gòu)等。
　　第二章首先介紹了物理實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)中典型的時(shí)間和電荷測量方法，并比較了集成電路中電流模和電壓模兩種信號處理方法的特點(diǎn)，然后調(diào)研了國際上代表性的PMT讀出ASIC，并且分析對比了它們的技術(shù)路線和性能指標(biāo)。
　　針對LHAASO WCDA讀出電子學(xué)的性能要求以及PMT輸出信號特點(diǎn)，第三章對待研究ASIC的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了討論，并確定了電流型TOT的基本技術(shù)路線。時(shí)間測量采用電流型前沿定時(shí)技術(shù)，其輸出同時(shí)作為電荷

5、測量中線性充放電過程的控制信號。此ASIC輸出經(jīng)后端時(shí)間數(shù)字變換電路(Time-to-DigitalConverter, TDC)處理后，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和電荷的數(shù)字化。
　　第四章重點(diǎn)介紹了該ASIC的核心技術(shù)方法:通過對前置放大器輸出信噪比的優(yōu)化保證測量精度;設(shè)計(jì)高線性度的基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器結(jié)構(gòu)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路以提高電荷測量性能;使用電流舵DAC配置電流甄別器的閾值來提高芯片使用的靈活性;設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)電路用于控制電荷測量的充放

6、電過程以提高電荷測量線性度。
　　第五章介紹了該ASIC整體的系統(tǒng)前仿真結(jié)果，包括功能仿真、時(shí)間及電荷測量等。其中重點(diǎn)介紹了芯片時(shí)間和電荷測量精度的分析模型和相應(yīng)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，在單光電子信號輸入時(shí)，時(shí)間測量精度好于150ps，而電荷測量精度好于4％。
　　論文第六章介紹了該ASIC的版圖設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的后仿真結(jié)果以及封裝的考慮。該P(yáng)MT讀出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工藝，尺寸為3mm