ATLAS液氬量能器觸發(fā)讀出系統(tǒng)Phase-I升級的光纖數(shù)據(jù)鏈路與控制鏈路設(shè)計.pdf

1、ATLAS液氬量能器是ATLAS探測器的重要組成部分，用來測量LHC(Large HadronCollider)對撞產(chǎn)生的高能粒子的能量。ATLAS合作組計劃利用2018年LHC二期長停機期間對液氬量能器進行Phase-Ⅰ升級。為了能讓ATLAS液氬量能器工作在LHC Run-3（2018-2019年）期間3倍于當前亮度的環(huán)境下，液氬量能器Phase-Ⅰ升級的重點就是研發(fā)數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)，借此抑制背景噪聲，以高效的從背景中篩選出有效事件。

2、更高的探測能量、亮度和讀出電子學(xué)更高的粒度都引起了數(shù)據(jù)傳輸量的顯著擴增，因此光纖鏈路在ATLAS液氬量能器觸發(fā)讀出系統(tǒng)高速、海量數(shù)據(jù)的傳輸中起到了至關(guān)重要的作用。本文的主要研究工作是提出了光纖數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送器芯片LOCx2中關(guān)鍵的編碼方案，并在SoS0.25μm CMOS工藝下實現(xiàn)了核心模塊編碼器，設(shè)計了低延時的鏈路后端數(shù)據(jù)接收器FPGA固件，且利用GBT-Link實現(xiàn)了對整個鏈路系統(tǒng)的有效監(jiān)控。
　　本文的具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點主要

3、表現(xiàn)在如下幾個方面:
　　1.ATLAS液氬量能器要求光纖數(shù)據(jù)鏈路的前端具備耐輻照能力、功耗≤100mW/Gbps、延遲≤75ns，整個數(shù)據(jù)鏈路的延遲≤150ns。目前業(yè)界僅有CERN開發(fā)的GBT-Link可工作于輻照環(huán)境，但其它指標均不滿足要求。因此，SMU光電實驗室為ATLAS合作組開發(fā)了一款符合要求的數(shù)據(jù)鏈路。該鏈路的前端包括數(shù)據(jù)發(fā)送器芯片LOCx2和激光驅(qū)動芯片LOCld2。它們都采用SoS0.25μm CMOS工藝設(shè)計而

4、成，該工藝使用藍寶石作為絕緣襯底，對單事件閉鎖免疫，具有天然的抗輻照特性。LOCx2中的編碼器模塊是數(shù)據(jù)鏈路前端低延遲、低編碼開銷、低功耗的關(guān)鍵模塊。主要研究工作體現(xiàn)在以下三點:①提出了全新的“LOCic編碼”，創(chuàng)造性的將12位的BCID（Bunch Cross Identification）信息編碼到了4位字段之中，傳輸每幀112位的載荷數(shù)據(jù)相比于8B10B編碼來說編碼開銷從33.9％降至了14.3％，大大降低了鏈路的功耗。該編碼簡潔

5、的編碼過程也易于實現(xiàn)低延遲的編碼器。②編碼器版圖采用人工精確設(shè)計，且通過優(yōu)化數(shù)字器件閾值電壓和時鐘樹、使用流水線技術(shù)等方法將編碼器的工作頻率從該工藝庫的極限100MHz提升至320MHz，進一步降低了延遲。③設(shè)計三時鐘FIFO用以連接編碼器與前端兩ADC芯片，且使其容忍兩個ADC芯片輸出信號之間3.125ns的相位不定性。LOCx2芯片有兩個數(shù)據(jù)發(fā)送通道，每個通道的輸出速率為5.12Gbps，測試表明LOCx2的功耗僅為843mW，整個

6、芯片的延遲≤27.2ns，其中LOCic編碼器帶來的延遲≤21ns，各指標達到ATLAS液氬量能器的需求。
　　2.除了低延遲的編碼器之外，為了降低整個數(shù)據(jù)鏈路的低延遲還需要設(shè)計低延遲的數(shù)據(jù)接收器。數(shù)據(jù)接收器由串并轉(zhuǎn)換器和解碼器構(gòu)成，采用商用FPGA實現(xiàn):①通過優(yōu)化串行收發(fā)器IP核，使其能夠接收5.12Gbps的高速串行數(shù)據(jù)，恢復(fù)出高速時鐘，對數(shù)據(jù)進行采樣并最終完成串并轉(zhuǎn)換。②采用簡潔的解碼過程并且讓解碼器運行在盡量高的頻率320

7、MHz下，使延遲降到了最低。③根據(jù)單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致鏈路同步丟失時數(shù)據(jù)的特點，解碼器實現(xiàn)了鏈路的快速再同步功能。光纖數(shù)據(jù)鏈路的測試表明，數(shù)據(jù)接收器可以成功實現(xiàn)鏈路的同步，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)和BCID信息，并通過CRC校驗。鏈路的位差錯率＜10-12，延遲≤74.25ns，遠低于150ns。
　　3.為了保證基于LOCx2芯片的光纖數(shù)據(jù)鏈路能夠正常工作，本文采用GBT-Link實現(xiàn)了對應(yīng)的控制系統(tǒng)，給光纖數(shù)據(jù)鏈路提供時鐘、控制信號并監(jiān)控系統(tǒng)