用于探测器信号读出的前端ASIC - 中国科学院高能物理研究所
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PP0 connection
Flex Hybrid
Bump bonds
Sensor tile 16 FE chips
2010-8-15
Wire bonds
NED2010
5
Frontend Chip - FE-I4
Largest Chip in HEP
FE-I3
New FE-I4 Pixel size = 250 x 50 µm2 Pixels = 80 x 336 Technology = 0.13µm Power = 0.5 W/cm2
用于探测器信号读出的前端ASIC
王 铮
中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所
2010年 8月15日
2010-8-15
NED2010
1
主要内容
• 国际上ASIC技术发展动态
–半导体探测器读出ASIC（FEI-4，MIMOSA26） –气体探测器读出ASIC（TIMEPIX）
CASA主要性能指标
输入电荷 增益 输出脉宽 积分非线性 串扰 功耗
COOL-X X-ray Generator (peak @~8keV)
1500 fC 1-19 mV/fC 200–800 ns <2.5% <0.98% 8.9 mW/ch
7000
ENC [e,rms]
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 Cin [pF] 80 100 120
IN
OUTN OUTP
ODIF
单通道包括电荷灵敏前放(CSA)、极零 相消、CR-(RC)4成形和全差分缓冲输出
CASA芯片版图
2010-8-15
NED2010
17
与GEM探测器的测试结果
10000
清华大学
9000 8000
=25ns, ENC=50.3e*Cin/pF+220e =50ns, ENC=62.2e*Cin/pF+265e =75ns, ENC=70e*Cin/pF+256e =100ns, ENC=80.1e*Cin/pF+260e
• Power v.s. speed:
– Power Readout in a rolling shutter mode Speed 1 row pixels are read out //
Pixel Array Rolling shutter mode
• MIMOSA26 is a reticule size MAPS with binary output, 10 k images / s
CASA噪声测试结果
2010-8-15
GEM detector
CASA
探测器信号波形
NED2010 18
GEM探测器读出ASIC- GEMROC
CSA+Shaper
高能所
2009Nov，ver2 completed
•16channel/chip technology •Strip capacitance: 20~100pF •Most probable Qstrip:~50fC schematic •Linear range: up to 200fC,inl<1% •Track rate: >100KHz •Noise: <2000e,rms •Gain:5mV/fC •Output: semi-Gaussian pulse 50~400ns peaking time 单通道原理图 •Power consumption:<20mW
• GEM探测器 • μ-megas探测器
2010-8-15
NED2010
9
2010-8-15
NED2010
10
2010-8-15
NED2010
11
TIMEPIX芯片
• 四种工作模式
–TOT：测量信号过阈宽度（时钟周期数） –TIME：测量信号到达到公共停止信号时间间 隔 –MediPix:信号过阈次数计数 –OneHit: 来一个信号即为1，无信号为0
高密度、低功耗、低成本的读出ASIC
2010-8-15 NED2010 14
在研项目
• GEM探测器读出ASIC的研制
–高能所科技创新项目，2007－2010，40万
• 新型密集阵列探测器读出ASIC的研制
–NSFC重点项目，清华、近物所、高能所联合， 2008－2011，240万
• 气体探测器ASIC读出电子学的研究
CMOS 0.35 µm OPTO technology, Chip size : 13.7 x 21.5 mm2 Integration time: ~ 100 µs R.O. speed: 10 k frames/s Hit density: ~ 106 particles/cm² /s
0 1 2 3 4 5 6 7
ADC noise Timing diagram
chnl
RMS 0.54 0.59 0.59 0.62 0.62 0.61 0.59 0.56
Grey code output test
2010-8-15
RAMP circuit test
NED2010 22
高能所
四通道MAPMT放大读出ASIC
NED2010
20
高能所
SWAN芯片：开关电容阵列+Wilkinson型ADC
锁存器和串行输出
8×32 cell
2010-8-15
顺序读写控制逻辑
NED2010
可预置纯格雷码计数器
21
SWAN
Switched-capacitor array with Wilkinson A/D convertors Next version
适用于多阳极光电倍增管波形采样读出的 四通道模拟放大成形芯片，每个放大通道由 跨阻前放+ 滤波成形 +增益调整与输出驱动 极构成。 • 2009年8月流片： 固定 136ns 成形时间，A类驱动放大级 （线性好） 已完成实验室测试。
2010-8-15
NED2010
23
PET芯片测试结果
芯片参数 电源 ： + -2.5V，0V； 耦合方式： 输入输出皆可采用直流或交流耦合（目前为直流耦合） 放大倍数： 102 mV/pC 可根据需要调整，最小51mV/pC） 通道间串扰： <0.05% 每通道功耗： 34 mW （可低至约10 mW，根据驱动能力大小而定） 驱动能力 ： 驱动400欧电阻。 输入动态范围：10.8pC 输出动态范围：1.1V 非线性度： <1% 事例率 ： 70K （堆积几率<3％） 通道非一致性：<1.6% 噪声： 等效输出均方根噪声 0.946mV，信噪比 28（仿真值）
1152 column-level discriminators offset compensated high gain preamplifier followed by latch Zero suppression logic
Reference Voltages Buffering for 1152 discriminators I/O Pads Power supply Pads Circuit control Pads LVDS Tx & Rx
Tapeout: Mar2009
高能所
Chartered 0.35 ms technology
• 8chn*32cell CAP array
LQFP100 package
• 12bit WADC • optional 12bit/10bit/8bit mode • clock : 50M / 100M • serial data output • optional LVDS or CMOS clock input
Testability: several test points implemented all along readout path Pixels out (analogue) Discriminators Zero suppression Signal transmission
Current Ref. Bias DACs
Readout controller JTAG controller
Memory management Memory IP blocks
PLL, 8b/10b optional
2010-8-15
NED2010
8
气体探测器ASIC（TIMEPIX）
13.7 mm
ADC Zero suppression
MIMOSA26
Active area: ~10.6 x 21.2 mm2
• Lab. and beam tests: 62 chips tested, yield ~7590% 2010-8-15 NED2010
21.5 mm
7
MIMOSA26: 1st MAPS with Integrated Ø
Pixel array: 576 x 1152, pitch: 18.4 µm Active area: ~10.6 x 21.2 mm2 In each pixel: Amplification CDS (Correlated Double Sampling)
Row sequencer Width: ~350 µm
Chartered 0.35 ms
Simulation
Schematics ver2
2010-8-15 NED2010 19
高能所
GEMROC芯片
扫描链 模拟监测缓冲
单个读出通道
• 16通道低噪 声电荷灵敏 前放+积分 成形电路
基准和偏置
电荷灵敏前放
极零相消
RC积分
输出级
2010-8-15
Fra Baidu bibliotek
92μm×1500μm
–中科院核电子学与探测技术重点实验室重点项 目，30万，2010年
•„
2010-8-15 NED2010 15
清华大学
– 极低噪声CMOS电荷灵敏前放的设计研究
120
输入电容~0.1pF
110
Ib=0.1mA Ib=0.2mA Ib=0.4mA Ib=0.6mA Ib=0.8mA Ib=1mA
100
– Pixel array: 1152 x 576, 18.4 µm pitch – Hit density: ~ 1E6 particles/cm² /s – Architecture:
• Pixel (Amp+CDS) array organised in // columns r.o. in the rolling shutter mode • 1152 ADC, a 1-bit ADC (discriminator) / column • Integrated zero suppression logic • Remote and programmable
ENC [e,rms]
90
80
70
ENC=61.3e
60 0 2 4 6 [ms] 8 10 12
噪声水平达到国内领先，和国外最好的几个 电子的水平相比，还有一定差距
2010-8-15 NED2010 16
清华大学
• 多通道GEM探测器读出ASIC的研制
– 第一版16通道CASA芯片的设计
VFP
• 国内ASIC研究进展
2010-8-15
NED2010
2
半导体探测器读出ASIC
• 探测器与ASIC采用hybrid结构
– FEI4
• 探测器与ASIC作在同一个衬底上（单片结 构）
– MINOSA26
2010-8-15
NED2010
3
2010-8-15
NED2010
4
Pixel Detector Module Breakdown
• 与标准GEM探测器测试，性能指标：
–位臵分辨：~20 um （rms） –时间分辨：~8ns （rms）
2010-8-15 NED2010 12
国内ASIC研究进展
2010-8-15
NED2010
13
研究背景
为了获得粒子径迹或图像更高的位置分辨力，各种新型 射线和粒子探测器的单元尺寸减小到~10mm - ~100mm， 称为密集阵列探测器。
2010-8-15
Review Nov 3-4,2009
NED2010 6
Development of CMOS Pixel Sensors for Charged Particle Tracking
• Design according to 3 issues:
– Increasing S/N at pixel-level – A to D Conversion at column-level – Zero suppression at chip edge level
Flex Hybrid
Bump bonds
Sensor tile 16 FE chips
2010-8-15
Wire bonds
NED2010
5
Frontend Chip - FE-I4
Largest Chip in HEP
FE-I3
New FE-I4 Pixel size = 250 x 50 µm2 Pixels = 80 x 336 Technology = 0.13µm Power = 0.5 W/cm2
用于探测器信号读出的前端ASIC
王 铮
中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所
2010年 8月15日
2010-8-15
NED2010
1
主要内容
• 国际上ASIC技术发展动态
–半导体探测器读出ASIC（FEI-4，MIMOSA26） –气体探测器读出ASIC（TIMEPIX）
CASA主要性能指标
输入电荷 增益 输出脉宽 积分非线性 串扰 功耗
COOL-X X-ray Generator (peak @~8keV)
1500 fC 1-19 mV/fC 200–800 ns <2.5% <0.98% 8.9 mW/ch
7000
ENC [e,rms]
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 Cin [pF] 80 100 120
IN
OUTN OUTP
ODIF
单通道包括电荷灵敏前放(CSA)、极零 相消、CR-(RC)4成形和全差分缓冲输出
CASA芯片版图
2010-8-15
NED2010
17
与GEM探测器的测试结果
10000
清华大学
9000 8000
=25ns, ENC=50.3e*Cin/pF+220e =50ns, ENC=62.2e*Cin/pF+265e =75ns, ENC=70e*Cin/pF+256e =100ns, ENC=80.1e*Cin/pF+260e
• Power v.s. speed:
– Power Readout in a rolling shutter mode Speed 1 row pixels are read out //
Pixel Array Rolling shutter mode
• MIMOSA26 is a reticule size MAPS with binary output, 10 k images / s
CASA噪声测试结果
2010-8-15
GEM detector
CASA
探测器信号波形
NED2010 18
GEM探测器读出ASIC- GEMROC
CSA+Shaper
高能所
2009Nov，ver2 completed
•16channel/chip technology •Strip capacitance: 20~100pF •Most probable Qstrip:~50fC schematic •Linear range: up to 200fC,inl<1% •Track rate: >100KHz •Noise: <2000e,rms •Gain:5mV/fC •Output: semi-Gaussian pulse 50~400ns peaking time 单通道原理图 •Power consumption:<20mW
• GEM探测器 • μ-megas探测器
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NED2010
10
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NED2010
11
TIMEPIX芯片
• 四种工作模式
–TOT：测量信号过阈宽度（时钟周期数） –TIME：测量信号到达到公共停止信号时间间 隔 –MediPix:信号过阈次数计数 –OneHit: 来一个信号即为1，无信号为0
高密度、低功耗、低成本的读出ASIC
2010-8-15 NED2010 14
在研项目
• GEM探测器读出ASIC的研制
–高能所科技创新项目，2007－2010，40万
• 新型密集阵列探测器读出ASIC的研制
–NSFC重点项目，清华、近物所、高能所联合， 2008－2011，240万
• 气体探测器ASIC读出电子学的研究
CMOS 0.35 µm OPTO technology, Chip size : 13.7 x 21.5 mm2 Integration time: ~ 100 µs R.O. speed: 10 k frames/s Hit density: ~ 106 particles/cm² /s
0 1 2 3 4 5 6 7
ADC noise Timing diagram
chnl
RMS 0.54 0.59 0.59 0.62 0.62 0.61 0.59 0.56
Grey code output test
2010-8-15
RAMP circuit test
NED2010 22
高能所
四通道MAPMT放大读出ASIC
NED2010
20
高能所
SWAN芯片：开关电容阵列+Wilkinson型ADC
锁存器和串行输出
8×32 cell
2010-8-15
顺序读写控制逻辑
NED2010
可预置纯格雷码计数器
21
SWAN
Switched-capacitor array with Wilkinson A/D convertors Next version
适用于多阳极光电倍增管波形采样读出的 四通道模拟放大成形芯片，每个放大通道由 跨阻前放+ 滤波成形 +增益调整与输出驱动 极构成。 • 2009年8月流片： 固定 136ns 成形时间，A类驱动放大级 （线性好） 已完成实验室测试。
2010-8-15
NED2010
23
PET芯片测试结果
芯片参数 电源 ： + -2.5V，0V； 耦合方式： 输入输出皆可采用直流或交流耦合（目前为直流耦合） 放大倍数： 102 mV/pC 可根据需要调整，最小51mV/pC） 通道间串扰： <0.05% 每通道功耗： 34 mW （可低至约10 mW，根据驱动能力大小而定） 驱动能力 ： 驱动400欧电阻。 输入动态范围：10.8pC 输出动态范围：1.1V 非线性度： <1% 事例率 ： 70K （堆积几率<3％） 通道非一致性：<1.6% 噪声： 等效输出均方根噪声 0.946mV，信噪比 28（仿真值）
1152 column-level discriminators offset compensated high gain preamplifier followed by latch Zero suppression logic
Reference Voltages Buffering for 1152 discriminators I/O Pads Power supply Pads Circuit control Pads LVDS Tx & Rx
Tapeout: Mar2009
高能所
Chartered 0.35 ms technology
• 8chn*32cell CAP array
LQFP100 package
• 12bit WADC • optional 12bit/10bit/8bit mode • clock : 50M / 100M • serial data output • optional LVDS or CMOS clock input
Testability: several test points implemented all along readout path Pixels out (analogue) Discriminators Zero suppression Signal transmission
Current Ref. Bias DACs
Readout controller JTAG controller
Memory management Memory IP blocks
PLL, 8b/10b optional
2010-8-15
NED2010
8
气体探测器ASIC（TIMEPIX）
13.7 mm
ADC Zero suppression
MIMOSA26
Active area: ~10.6 x 21.2 mm2
• Lab. and beam tests: 62 chips tested, yield ~7590% 2010-8-15 NED2010
21.5 mm
7
MIMOSA26: 1st MAPS with Integrated Ø
Pixel array: 576 x 1152, pitch: 18.4 µm Active area: ~10.6 x 21.2 mm2 In each pixel: Amplification CDS (Correlated Double Sampling)
Row sequencer Width: ~350 µm
Chartered 0.35 ms
Simulation
Schematics ver2
2010-8-15 NED2010 19
高能所
GEMROC芯片
扫描链 模拟监测缓冲
单个读出通道
• 16通道低噪 声电荷灵敏 前放+积分 成形电路
基准和偏置
电荷灵敏前放
极零相消
RC积分
输出级
2010-8-15
Fra Baidu bibliotek
92μm×1500μm
–中科院核电子学与探测技术重点实验室重点项 目，30万，2010年
•„
2010-8-15 NED2010 15
清华大学
– 极低噪声CMOS电荷灵敏前放的设计研究
120
输入电容~0.1pF
110
Ib=0.1mA Ib=0.2mA Ib=0.4mA Ib=0.6mA Ib=0.8mA Ib=1mA
100
– Pixel array: 1152 x 576, 18.4 µm pitch – Hit density: ~ 1E6 particles/cm² /s – Architecture:
• Pixel (Amp+CDS) array organised in // columns r.o. in the rolling shutter mode • 1152 ADC, a 1-bit ADC (discriminator) / column • Integrated zero suppression logic • Remote and programmable
ENC [e,rms]
90
80
70
ENC=61.3e
60 0 2 4 6 [ms] 8 10 12
噪声水平达到国内领先，和国外最好的几个 电子的水平相比，还有一定差距
2010-8-15 NED2010 16
清华大学
• 多通道GEM探测器读出ASIC的研制
– 第一版16通道CASA芯片的设计
VFP
• 国内ASIC研究进展
2010-8-15
NED2010
2
半导体探测器读出ASIC
• 探测器与ASIC采用hybrid结构
– FEI4
• 探测器与ASIC作在同一个衬底上（单片结 构）
– MINOSA26
2010-8-15
NED2010
3
2010-8-15
NED2010
4
Pixel Detector Module Breakdown
• 与标准GEM探测器测试，性能指标：
–位臵分辨：~20 um （rms） –时间分辨：~8ns （rms）
2010-8-15 NED2010 12
国内ASIC研究进展
2010-8-15
NED2010
13
研究背景
为了获得粒子径迹或图像更高的位置分辨力，各种新型 射线和粒子探测器的单元尺寸减小到~10mm - ~100mm， 称为密集阵列探测器。
2010-8-15
Review Nov 3-4,2009
NED2010 6
Development of CMOS Pixel Sensors for Charged Particle Tracking
• Design according to 3 issues:
– Increasing S/N at pixel-level – A to D Conversion at column-level – Zero suppression at chip edge level