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
硅像素探测器读出芯片的设计
摘 要 ：针 对 应 用 在 时 间 过 阈 技 术 的 像 素 阵列 读 出 芯 片 。
１２９７
研究 十 分必 要 。 当粒 子 击 中探 测 器 中的某 个 像 素 时 ，像 素
内的 电路 会 产 生 １个 过 阈 的脉 冲信 号 ，该 脉 冲 信 号 的 宽 度 与 入 射 粒 子 的 能 量 呈 正 比 ，芯 片 内部 的计 数 器 会 记 录 脉 冲信 号 的前 后 沿 对 应 的计 数 ，该 计 数 也 可 称 为 前 后 沿 的 时 间戳 ，然 后 将 前 后 沿 计 数 和 对 应 像 素 的 地 址 进 行 读 出 。本 文 针 对 测 量 粒 子 径 迹 的 硅 像 素 探 测 器 ，设 计 一 种 基 于 时 间 过 阈 技 术 的 像 素 读 出 芯 片 。
设 计 的功 能 。
关 键 词 ：硅像 素 探 测 器 ；读 出芯 片 ；时 间 过 阈技 术
中 图分 类号 ：ＴＬ８２
文 献 标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１０００—６９３１（２０１６）０７—１２９６—０５
ｄｏｉ：１０．７５３８／ｙｚｋ．２０１６．５０．０７．１２９６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅａｄｏｕｔ Ｃｈｉｐ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｉｘｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
内对半 导体探 测 器 的研 究 有较 大 的进展 口 ］，而 对像 素 型读 出芯 片 的研 究 还处 于发展 阶段 。国 外 的一 些 硅 像 素 读 出 芯 片 ，如 ＦＥ－Ｉ３、ＦＥ－Ｉ４、 ＦＰＩＸ２等 口 ］，已在 ＡＴＬＡＳ、ＣＭＳ等 实 验 上 得 以应用 。因此 ，为 了尽 快 实 现 硅 像 素探 测 器 及 其 读 出 芯 片 的 国产 化 ，开展 硅 像 素读 出芯 片 的
电荷灵敏放大器-中国科学院高能物理研究所
传统前置放大器理论
由于探测器的输出阻抗往往比后接电路的输 入阻抗大得多，可以等效为一个电流源。让 探测器的输出电流i对一个固定电容充电即可 以实现电荷电压转换：
idt Q CU
基本的转换方法包括
电流灵敏放大器方法 电压灵敏放大器方法 电荷灵敏放大器方法
电流灵敏放大器
采用电流灵敏放大器。这种方法就是将一个电 流放大器接在探测器和积分电容之间。电流灵 敏放大器不但可以测量电荷量，还可以获取精 确的时间信息，但要求放大器有较大的带宽。
高能物理实验中的电荷测量
粒子通过探测器时使探测器产生电离、激发光 或光电转换等过程，在探测器的电接收端收集 或者感应出电子和正电荷，通过外接流动通道 形成需要测量的电信号。根据探测的机理，目 前常用探测器输出均为电流信号 探测器输出信号的电荷量与粒子在探测器中消 耗掉的能量有一定对应关系，通常情况为正比 关系
得到的电子电荷的平均数=能量电荷转换系数 x 粒 子在探测器中消耗掉的能量
电荷测量系统的基本结构
传统电荷测量系统，从接收到探测器的 信号到最终得到数字量结果，大致分为 三部分
前置放大器及成型 主放大器、成型和电缆传输 电压到数字量的转换
从方法上也可以分为积分型电荷测量和 电流型电荷测量两种
高能物理中常用电荷测量方法
第十五届全国核电子学与探测技术学术年会 江晓山 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14日
电荷量的测量
密立根油滴实验
基本电荷的确定 精确测量带电微粒电荷量 的开端
e＝1.602×10-19C
基于VATA160的前端读出电子学设计
基于VATA160的前端读出电子学设计宋海声;孙文健;杨海波;赵承心;李承飞;彭鹏;李先勤【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2022(45)6【摘要】针对核物理实验的读出需求,文中介绍一种具有高集成度、多通道、低功耗、高数据传输速率及较强的扩展性和通用性的前端读出电子学系统。
该前端读出电子学系统可以实现对输入信号的传输和采集,保障核物理实验后续数据分析的高效进行。
读出电子学系统主要基于VATA160电荷测量专用集成电路(ASIC)和FLASH型现场可编程逻辑门阵列(FPGA)进行设计,采用VATA160电荷测量专用集成电路进行输入信号的处理,并由逻辑控制单元将采集到的数据传输到上位机进行存储分析。
最后,对读出系统的基线噪声和工作性能进行测试。
结果表明:基线噪声值仅占整个读出系统量程范围的0.026%,噪声干扰小;通道的积分非线性优于0.801%,系统性能优;同时,该系统具有较大的动态范围、集成度以及较强的通用性,对于未来多种核物理实验的研发具有广泛的适应性。
【总页数】5页(P39-43)【作者】宋海声;孙文健;杨海波;赵承心;李承飞;彭鹏;李先勤【作者单位】西北师范大学物理与电子工程学院;中国科学院近代物理研究所;中国科学院大学核科学与技术学院【正文语种】中文【中图分类】TN99-34【相关文献】1.中子墙探测器前端读出电子学电路设计的改进2.用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计3.束流均匀性测量前端读出电子学电路的设计4.BESⅢ TOF前端读出电子学模块测试控制及分析软件系统的设计5.基于3D Si PIN阵列热中子探测器的变增益宽动态前端读出电子学设计因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
用于GEM探测器的像素型读出ASIC研究设计
关键词 ： Ｇ Ｅ Ｍ； 电流积分 ； 像素读 出 ； Ａ Ｓ Ｉ Ｃ ； Ｓ Ａ Ｒ— Ａ Ｄ Ｃ
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ３ ３ ６ 文献 标志码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ２ ５ ８ Ｄ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ４ ７ ３ － ０ ５
Ｇ Ｅ Ｍ…探测器 以其时 间分辨 、 位置分辨和
口小 ， 单通道事例率 达 １ ＭＨ ｚ 。输 入 信号 电荷 量动态 范 围 ３ ０ ０ ｆ Ｃ时 ， 积分 非线 性 小 于 ０ ． ６ ８ ％ 。低 功耗
Ｓ Ａ Ｒ—Ａ Ｄ Ｃ， １ ０比特精 度 ， 采样率 １ Ｍｓ ｐ ｓ ， 功耗 ２ ２ ０ ｕ Ｗ。该方案相关 芯片 已流 片和测试 ， 取得较 好的初 步 测试 结果。
每一个过阈信号进行电荷积分 ， 完成信号电荷 至电压的转换 。每个像素 内集成 Ａ Ｄ Ｃ ， 将信号 幅度进行数字化 ， 避免 了模拟信号选通读出的 长时间等待 ， 减少死时间， 提高计数率。经数字
化的信号幅度信息 ， 根据信号到达的先后次序， 按照一定 的优先级 ， 由像素 内逻辑 电路和外 围 读写逻辑电路联合控制读 出。
图 １ 芯 片 整 体 方 案
２ 芯片工作方式 １ 芯片整体 方案
本文所介 绍的像 素 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ芯 片， 针对 Ｇ Ｅ Ｍ 像素单元 电路框图 ， 如图 ２ 所示 ， 包括电荷 灵敏前放 、 电流放大器 、 电流 比较器、 单稳态电
探测器， Ｐ ａ ｄ中心距 １ ｍ ｍ Ｘ １ ｍ ｉ ｎ ， 实现单信号
现。由于二维条型读 出方式无法分辨一个电子 学读 出周期内的多次击中事例 ， 导致探测效率 和计数率的下降。像素 （ Ｐ ａ ｄ ） 阵列读 出方式 Ｊ 则无此限制 ， 但随之而来 的却是读 出通道数 的
空间高效多通道反符合探测器系统设计
空间高效多通道反符合探测器系统设计罗章正;董亦凡;郭东亚;龚轲;刘雅清;彭文溪;乔锐;王志刚;张大力【期刊名称】《传感器技术与应用》【年(卷),期】2024(12)2【摘要】MeV伽马射线天文台(MeV Gamma Ray Observatory, MeVGRO)是目前在研预计实现对MeV能区伽马射线高分辨、高灵敏度探测的大型空间天文望远镜。
反符合探测器(Anti-Coincidence Detector, ACD)作为MeVGRO的有效载荷之一,需要实现带电粒子的高效探测,从而区分空间带电粒子和伽马射线。
本文基于硅光电倍增管(Silicon photomultiplier, SiPM)和ASIC (Application Specific Integrated Circuit),设计了一款可以应用于空间的反符合探测器样机,可高效的输出带电粒子的触发信号,兼具大动态范围测量,并对其进行了基线噪声测试、动态范围测试和宇宙线测试。
测试结果表明该样机工作稳定、性能良好,实现了动态范围最大到500 pC,各通道的电子学台阶一致性在1.1%以内,最小电离粒子(Minimum Ionizing Particle, MIP)的能谱信噪比优于0.2 c.u.。
【总页数】8页(P220-227)【作者】罗章正;董亦凡;郭东亚;龚轲;刘雅清;彭文溪;乔锐;王志刚;张大力【作者单位】内蒙古工业大学信息工程学院呼和浩特;中国科学院高能物理研究所【正文语种】中文【中图分类】G63【相关文献】1.暗物质探测实验液氩反符合探测器杂质影响分析2.用于暗物质间接测量外围反符合探测器的读出研究3.CDEX实验中CsI(Tl)晶体反符合探测器实验测试4.多通道光子计数符合激光测距系统设计与实现5.基于反符合的核辐射探测器电路研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多阳极光电倍增管读出ASIC设计
多阳极光电倍增管读出ASIC设计肖腾飞;张研;王庆娟;吴文欢;王铮;赵京伟【期刊名称】《核电子学与探测技术》【年(卷),期】2012(032)009【摘要】主要介绍了针对多阳极光电倍增管读出ASIC设计,该设计主要应用于散裂中子源中子谱仪中的高通量粉末衍射仪的读出电子学系统中[1].设计采用了Chartered 0.35 μm CMOS工艺,整个芯片集成了32通道,每个通道包含前置放大器、积分电路以及比较器等部分,分别实现快速放大、积分、甄别和整形输出等功能.要求前放增益可调,能够准确分辨出中子和γ信号.【总页数】4页(P1003-1006)【作者】肖腾飞;张研;王庆娟;吴文欢;王铮;赵京伟【作者单位】中国科学院高能物理研究所,北京100049;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院高能物理研究所,北京100049;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院高能物理研究所,北京100049;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院高能物理研究所,北京100049;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院高能物理研究所,北京100049;中国科学院高能物理研究所,北京100049【正文语种】中文【中图分类】TL81【相关文献】1.PMT信号前端读出ASIC设计 [J], 严雄波;吕继方;王铮;赵京伟;肖腾飞2.基于峰值保持电路的GEM探测器前端读出ASIC设计 [J], 吕继方;吴文欢;王铮;刘振安;严雄波;魏微3.多阳极光电倍增管前端四通道放大读出芯片设计 [J], 王科;刘振安;王铮;李道武4.多阳极光电倍增管信号简化读出方法研究 [J], 刘宗民;张文杰;岳骞;李元景5.基于硅光电倍增管的PET前端读出ASIC设计 [J], 沈林凯;高德远;魏廷存;高武;曾蕙明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高能物理学中的粒子探测技术
高能物理学中的粒子探测技术在高能物理学中，粒子探测技术是非常关键的，它们被用来探测、识别和测量高能粒子，帮助科学家研究基本粒子的性质和相互作用。
这些技术能够提供对粒子的能量、动量、路径和种类等重要信息，为物理学家进一步探索基本粒子世界打下了坚实的基础。
一种常见的粒子探测技术是径迹探测器。
径迹探测器能够追踪高能粒子在探测器中的路径。
其基本原理是利用辐射敏感材料和探测器的结构，记录粒子在材料中的轨迹。
传统的径迹探测器通常采用闪烁体、流星探测器或者氢-氖层次计数器等材料，来测量粒子路径上的能量损失和位置信息。
透过多层次的径迹探测器，物理学家可以重建出高能粒子在探测器中的运动轨迹，并进一步分析反应事件。
相比之下，时间投影室技术是另一种重要的粒子探测技术。
时间投影室是可以测量带电粒子轨迹并重建二维或三维图像的气体探测器。
它利用高压气体和导线产生电离，通过电子漂移和扩散的方式来测量粒子的位置。
时间投影室具有高空间分辨率、较大的活动面积和较短的响应时间等优点。
它可以应用于高能线性对撞机和环形加速器等大型实验装置，用来重建高能带电粒子的轨迹，并提供精确的位置和动量信息。
除了径迹探测器和时间投影室，高能物理学中还使用了许多其他粒子探测技术。
例如，电磁量能器用于测量带电或中性粒子的能量。
电磁量能器通常由闪烁体、电磁铁和光电二极管等组成，能够将粒子的能量转化为光信号，并测量其强度。
而强子量能器则用于测量强子的能量和位置，采用的是比较厚的吸收材料，可以抑制强子和软辐射的效应。
除此之外，色散器、吗仑计数器、湮灭探测器等技术在高能物理学中也都有广泛应用。
粒子探测技术的发展，推动了高能物理学的进步。
随着技术的不断创新和完善，探测器的性能不断提高，使得科学家们能够更加精确地测量粒子的能量、动量和相互作用等重要参数。
例如，在大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验中，探测器精确测量了希格斯玻色子的质量，进一步验证了标准模型的预测。
附表3-Indico-中国科学院高能物理研究所
聘用委员会主任（签字）：年月日
单位聘用意见
同意同志聘用为岗位，聘期自年
月日起至年月日止。
单位法定代表人或委托人（签字）：（公章）
年月日
专利名称
转化结果、意义及评价
获科技奖励情况（最多填五项）
年度
奖励种类
获奖项目名称
等次
排名
国内外学术任职情况（最多填五项）
任职组织名称
担任职务
任职起止时间
对应聘岗位的工作设想：
1.做好目前的几个项目，特别是星用抗辐射读出芯片项目，为高能所的ASIC方向做出比较有特色的，具有国际水平的芯片。
2.与其它同事一起，建立核电子学读出芯片的基本设计单元库，并完善针对半导体探测器，GEM探测器，光电倍增管等几大类不同放大增益探测器分别适用的读出芯片。从而加快设计速度，避免重复劳动；并随时可为需要的单位提供适用的芯片。
项目名称
项目类别
项目经费
本人角色
起止时间
新型CZT半导体X射线和γ射线探测器研制—子课题—探测器读出芯片研制
国家重大科学仪器设备开发专项
30万
负责人
2013年6月-2016年6月
X射线时变与偏振卫星XTP背景型号研制—子课题—探测器匹配读出芯片研制
院先导专项
14万
负责人
2011年10月-2014年10
3.进一步加强与国内外相关单位（芯片应用单位或其它专业集成电路设计单位）的联系交流，发掘潜在用户，推广芯片应用，发展合作伙伴，促进国内核探测与核电子学研究水平的发展。
4.做好北京谱仪端盖飞行时间探测器改造项目中触发系统研制与评审工作；跟进未来的环形正负电子对撞机-超级质子对撞机项目进展，争取以后在里面发挥一定作用。
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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
• 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
• 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。
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
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
–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
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
Chartered 0Biblioteka 35 msSimulation
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
92μm×1500μm
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）
– 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
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）
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）
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
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
• 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
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
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