LHAASO WCDA中基于電流型TOT技術的前端讀出ASIC設計.pdf

1、為探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究，由中國科學院高能物理研究所提出建設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PMT單元，測量動態(tài)范圍為單光電子(1 PhotoElectron(PE))到4000光電子。對應地要求其讀出電子學在4000倍的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的時間和電荷測量，時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讀出電子學系統(tǒng)結構，本論文基于電流型過閾時間法(

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

4、學整體架構等。
　　第二章首先介紹了物理實驗讀出電子學中典型的時間和電荷測量方法，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，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路線和性能指標。
　　針對LHAASO WCDA讀出電子學的性能要求以及PMT輸出信號特點，第三章對待研究ASIC的設計方案進行了討論，并確定了電流型TOT的基本技術路線。時間測量采用電流型前沿定時技術，其輸出同時作為電荷

5、測量中線性充放電過程的控制信號。此ASIC輸出經(jīng)后端時間數(shù)字變換電路(Time-to-DigitalConverter, TDC)處理后，即可同時實現(xiàn)時間和電荷的數(shù)字化。
　　第四章重點介紹了該ASIC的核心技術方法:通過對前置放大器輸出信噪比的優(yōu)化保證測量精度;設計高線性度的基于翻轉電壓跟隨器結構的電壓電流轉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;設計單穩(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)前仿真結果，包括功能仿真、時間及電荷測量等。其中重點介紹了芯片時間和電荷測量精度的分析模型和相應仿真結果。仿真結果表明，在單光電子信號輸入時，時間測量精度好于150ps，而電荷測量精度好于4％。
　　論文第六章介紹了該ASIC的版圖設計、系統(tǒng)的后仿真結果以及封裝的考慮。該PMT讀出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工藝，尺寸為3mm