探 测 器 前 端 专 用 集 成 电 路 GEMPROC 的 性 能 研 究 报 告 人 : 王 庆 娟 核 探 测 与 核 电 子 学 国 家 重 点 实 验 室
主 要 内 容 引 言 GEMPROC 芯 片 简 介 测 试 环 境 测 试 结 果 小 结 参 考 文 献 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 2
主 要 内 容 引 言 GEMPROC 芯 片 简 介 测 试 环 境 测 试 结 果 小 结 参 考 文 献 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 3
引 言 为 了 满 足 二 维 位 置 灵 敏 探 测 器 高 空 间 分 辨 率 的 需 求, 其 读 出 条 的 尺 寸 将 越 来 越 小, 导 致 单 位 面 积 内 探 测 通 道 数 迅 速 增 加, 这 对 读 出 电 子 学 系 统 提 出 了 更 高 的 要 求 ; 采 用 传 统 的 分 立 器 件 搭 建 构 成 的 电 子 学 系 统 无 法 满 足 该 位 置 灵 敏 探 测 器 电 子 学 系 统 对 规 模 功 耗 及 成 本 的 要 求, 因 此 必 须 研 制 和 使 用 专 用 集 成 电 路 ; GEMPROC 是 高 能 所 自 主 设 计 的 一 款 GEM 探 测 器 读 出 芯 片, 该 芯 片 将 16 个 信 号 通 道 的 峰 值 信 息 串 行 输 出, 每 16 个 通 道 只 要 一 路 ADC, 可 以 简 化 电 路, 降 低 系 统 成 本 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 4
GEM 探 测 器 典 型 的 GEM(Gas Electron Multiplier ) 探 测 器 由 漂 移 电 极, 一 片 或 多 片 GEM 复 合 薄 膜 网 格 和 印 刷 电 路 板 读 出 电 极 组 成 ; GEM 膜 两 面 覆 铜 并 蚀 刻 出 大 量 微 孔, 在 两 侧 铜 面 加 高 压, 电 子 在 孔 内 发 生 雪 崩, 对 原 初 电 离 放 大, 放 大 后 的 电 子 继 续 漂 移 经 过 过 渡 区 达 到 下 面 的 电 极 进 行 收 集 ; 单 级 GEM 的 增 益 达 到 50 左 右 单 级 GEM 探 测 器 的 结 构 示 意 图 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 5
三 级 GEM 探 测 器 在 漂 移 电 极 与 读 出 电 极 之 间 加 入 多 层 GEM 膜 构 成 多 级 GEM 探 测 器 三 级 GEM 探 测 器 的 结 构 图 灵 敏 面 积 200*200mm 2 读 出 条 读 出 :704 路 PAD 读 出 : 上 万 路 GEM 探 测 器 外 观 图 ASIC 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 6
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GEMPROC 芯 片 GEMPROC 芯 片 是 高 能 所 自 主 设 计 的 面 向 3 层 GEM 探 测 器 的 一 款 专 用 集 成 电 路, 采 用 Chartered 0.35um COMS 工 艺,LQFP 封 装 GEMPROC 提 供 两 模 式 : 一 是 工 作 模 式, 探 测 器 的 输 出 信 号 为 负 极 性 的 三 角 形 脉 冲, 经 过 芯 片 内 的 电 荷 灵 敏 前 放 极 零 相 消 滤 波 整 形 电 路 后 变 为 准 高 斯 波 形, 再 送 入 甄 别 器 与 阈 值 电 压 进 行 比 较, 当 滤 波 整 形 后 的 波 形 超 过 阈 值 时, 甄 别 器 将 输 出 一 个 标 识 信 号, 判 断 该 信 号 为 有 效 信 号, 继 续 送 入 峰 值 保 持 电 路, 对 该 信 号 的 峰 值 进 行 采 样 和 保 持, 最 后 各 通 道 有 效 的 信 号 的 峰 值 信 息 将 通 过 16:1 模 拟 开 关 串 行 读 出 二 是 刻 度 模 式, 主 要 用 于 测 试 芯 片 各 通 道 是 否 能 正 常 工 作 以 及 各 通 道 工 作 点 的 一 致 性 因 芯 片 内 部 已 经 在 刻 度 输 入 端 加 入 了 一 个 1pF 的 刻 度 电 容, 只 需 要 外 部 提 供 一 个 方 波 信 号, 就 可 以 实 现 对 所 选 通 道 的 刻 度 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 8
GEM 探 测 器 16 通 道 VDD VSS ASIC 串 行 读 出 ADC GEMPROC 芯 片 总 体 结 构 RD SYNC CLK 前 放 + 整 形 + 峰 值 保 持 + 读 出 FPGA 16 通 道 峰 值 信 息 串 行 读 出 RESET 甄 别 器 In0 电 荷 灵 敏 前 放 极 零 相 消 滤 波 整 形 峰 值 保 持 电 路 甄 别 器 每 片 GEMPROC 芯 片 仅 需 一 路 ADC In1 电 荷 灵 敏 前 放 极 零 相 消 滤 波 整 形 峰 值 保 持 电 路 Out0 Out1 GEM 探 测 器 16:1 模 拟 输 出 开 关 OUT SYNC ADC Out15 clk 甄 别 器 In15 电 荷 灵 敏 前 放 极 零 相 消 滤 波 整 形 峰 值 保 持 电 路 CDN 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 9
GEMPROC 工 作 时 序 采 样 读 出 clk reset data ch1 ch2 ch3 chi chi+1 ch16 peak ch1 ch2 chi chi+1 ch16 sync 工 作 过 程 分 为 采 样 过 程 和 读 出 过 程 ; 工 作 周 期 为 1us, 其 中 采 样 过 程 600ns 和 读 出 过 程 400ns ; 同 步 信 号 sync 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 10
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GEMPROC 芯 片 测 试 环 境 测 试 板 Mentor Graphics2005 大 小 为 113 201mm 2, 为 4 层 板 脉 冲 发 生 器 (Agilent33250A) LeCroy 104MXi 数 字 示 波 器 Alter DE2 开 发 板 ( 基 于 ALTERA CycloneII EP2C35F672C6) 多 道 :ORTEC TRUMP-PCI-8K Multichannel Buffer Card( 满 量 程 为 10V, 采 样 精 度 为 13bit) C Cd 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 12
利 用 DE2 产 生 的 数 字 信 号 采 样 阶 段 读 出 阶 段 采 样 过 程 :CLK=0 读 出 过 程 :CLK=40MHz 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 13
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功 能 测 试 1 整 形 后 波 形 和 峰 值 保 持 波 形 500mV/div 500mV/div 500ns/div 输 入 电 荷 量 为 80fC 时 测 试 结 果 500ns/div 输 入 电 荷 量 为 150fC 时 测 试 结 果 信 号 底 宽 约 为 850ns, 同 时 峰 值 保 持 电 路 可 以 保 持 住 整 形 后 信 号 的 峰 值 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 15
功 能 测 试 2 串 行 输 出 波 形 (40MHz) 该 开 关 读 出 信 号 上 升 时 间 较 慢, 输 出 信 号 建 立 时 间 太 长, 输 出 稳 定 值 的 时 间 在 整 个 读 出 周 期 中 占 用 的 比 重 很 小, 可 能 导 致 后 续 ADC 不 能 精 确 采 样 到 有 效 幅 度 值 1V/div 100ns/div 时 钟 设 置 成 40MHz 时 的 测 试 结 果 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 16
功 能 测 试 2 串 行 输 出 波 形 (10MHz) 在 10M 时 钟 频 率 下, 模 拟 开 关 能 够 将 16 路 峰 值 信 息 进 行 串 行 读 出, 每 一 通 道 峰 值 信 息 都 能 在 该 通 道 读 出 周 期 的 大 部 分 时 间 内 稳 定 1V/div 200ns/div 时 钟 设 置 成 10MHz 时 的 测 试 结 果 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 17
积 分 非 线 性 测 试 多 道 量 程 10V,13bit, 8192 道,1.2207mV / 道 GEMPRO C 测 试 板 + 整 形 电 路 多 道 输 入 准 高 斯 波 形 : 时 间 常 数 为 0.25~30us + - AD8065 AD8065 + - 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 18
积 分 非 线 性 测 试 INL<1.068%@40~200fC 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 19
噪 声 测 试 噪 声 曲 线 高 斯 信 号 的 半 高 宽 FWHM 与 标 准 偏 差 的 关 系 为 FWHM = 2.355σ N GEMRPOC 芯 片 自 身 引 入 的 半 高 宽 则 为 等 效 输 入 噪 声 电 荷 数 ENC 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 y = 25.13x + 555.42 系 列 1 线 性 ( 系 列 1) FHWM 2 GEMPROC = FHWM 2 TOT FHWM 2 IN 0 0 20 40 60 80 100 120 输 入 电 容 Cd(pF) 电 容 噪 声 斜 率 约 为 25.13e/pF 测 试 板 到 多 道 之 间 的 连 接 线 引 入 的 噪 声! 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 20
功 耗 测 试 值 利 用 万 用 表 ( 测 量 精 度 为 0.001A) 测 量 由 3.3V 电 压 产 生 的 电 流 约 为 0.1A, 此 时 测 试 板 上 仅 GEMPROC 芯 片 由 3.3V 电 压 供 电, 因 此 可 以 得 到 GEMPROC 芯 片 的 总 功 耗 约 为 330mW, 故 可 以 得 到 一 个 通 道 的 功 耗 约 为 20.625mW 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 21
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小 结 功 耗 (mw/ ch) 整 形 后 信 号 积 分 非 线 性 峰 值 保 持 后 信 号 噪 声 增 益 (mv/ fc) 仿 真 值 20.46 0.3% @40fc~200fc 0.8% @10fc~200fc 0.4% @40fc~200fc 0.8% @40fc~200fc 19e/pF 2100e@Cd=100pF 6.08 测 试 值 20.62 <1% @40fc~200fc 25e/pF 3003e@Cd= 100pF 5.96 GEMPROC 芯 片 测 试 值 与 仿 真 值 的 对 比 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 23
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参 考 文 献 [1] 吕 继 方, 刘 振 安, 王 铮 等. 高 精 度 CMOS 峰 值 保 持 电 路 设 计 [J]. 核 电 子 学 与 探 测 技 术, 2011,31(9):958-960. [2] 吕 继 方, 曾 云 等. 四 通 道 低 噪 声 GEM 探 测 器 前 端 读 出 ASIC 设 计 [J]. 核 电 子 学 与 探 测 技 术, 2009, 29(2): 258-262. [3] 王 经 瑾, 范 天 民, 钱 永 庚. 核 电 子 学 [ M]. 北 京 : 原 子 能 出 版 社,1983. 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 25
谢 谢! 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 26
GEMPROC 芯 片 与 GEM 探 测 器 联 调 结 果 GEM 探 测 器 为 GEM100 探 测 器, 其 具 体 的 工 作 条 件 为 : 有 效 面 积 : 100*100mm 2 高 压 分 布 : 360V/360V/360V 所 用 气 体 : Ar:CO2=70:30 放 射 源 :55Fe 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 27
GEMPROC 芯 片 与 GEM 探 测 器 联 调 结 果 50mV/div 500ns/div 滤 波 整 形 后 输 出 波 形 的 底 宽 约 为 850ns, 与 仿 真 得 到 的 结 果 基 本 一 致, 其 噪 声 的 峰 峰 值 约 为 30mV 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 28
GEMPROC 得 到 能 谱 全 能 峰 逃 逸 峰 运 用 GEMPROC 测 得 的 能 谱 运 用 ORTEC PC142IH 测 得 的 55Fe 能 谱 探 基 测 于 器 峰 前 保 端 电 专 路 用 的 集 GEM 成 探 电 测 路 器 GEMPROC 前 端 读 出 ASIC 的 性 研 能 制 研 究 29