ppt - JLC

LXeTPC ミーティング
ガス増幅検出器読み出し用
フロントエンド ASIC
2008/8/1
高エネルギー加速器研究機構
エレクトロニクスシステム
藤田陽一
報告内容
• FE2007 – ガス増幅検出器読み出し用 ASIC
– 背景など
– 概要
– パルス応答およびパフォーマンス
– 仕様まとめ
•
•
•
•
FE2007 量産
高密度実装による多チャネル化
まとめ
今後の予定
プロジェクト FE
• KEK 測定器開発室 ASIC プロジェクト（CMOS FrontEnd）
• 目的：多チャンネル低消費電力読み出し
– ターゲット：ガス増幅検出器（X 線・中性子線・γ線）
– テクノロジー： CMOS Analog Mixed
• 開発経緯
– 2005 FE2005
• 基本動作・パフォーマンスの確認
• ノイズ・クロストーク大
– 2006 FE2006
• ノイズ改善のため製造プロセス変更
• ノイズ・クロストーク・タイムウォークの改善、Vth ばらつき補償回路の実装
– 2007 FE2007
• ゲインばらつき・コンパレータ入力レベルの改善
• 較正入力の実装
FE2006 成果
• 2007/3 日本物理学会
– ガス増幅検出器読み出し用多チャンネル低消費電力 ASIC の開発藤田陽一
• 2007/4 KEK 測定器開発室報告会
– CMOS フロントエンド－プロジェクト FE2006 －藤田陽一
• 2007/6 FE2006 量産（京都大、MPGD グループへ提供）
• 2007/9 MPGD ビームテスト
• 2007/9 日本物理学会
– GEMを用いた中性子画像検出器の性能評価中川真介
– GEMを用いた中性子画像検出器の読み出しシステム内田智久
• 2007/10 IEEE NSS 2007
– Y. Fujita “Performance of Multi-Channel and Low Power Front-End ASIC for
MPGD m-PIC Readout”
• 2007/11 京都大 10cm u-PIC による
X線イメージング取得
• 2008/3 日本物理学会
– CMOS ASICを用いたμPIC読み出しシステムの開発および厚型GEMの開発井田知宏
FE2007 開発状況
• 2008/3 日本物理学会
– ガス増幅検出器読み出し用多チャンネル低消費電力 ASIC
(FE2007) の開発藤田陽一
• 2008/6 京都大 FE2006 基板による FE2007 テスト
• 2008/7 FE2007 量産（京都大へ提供）
• 2008/7 FE2007MCM（Multi Chip Module）納品
FE2007 概要
• 構成
– 低雑音電荷増幅器/波形整形回路/コンパレータ
• 主な仕様
– 製造プロセス： 0.5μm CMOS
– 電源： +/- 2.5V
– チャネル数： 8
– 出力：デジタル LVDS、アナログサム
– Vth ばらつき補償用 DAC
– 較正用入力 New
FE2007 構成
レイアウト (1ch)
前作からの更新点
パルス応答およびパフォーマンス
•
•
•
•
•
•
アナログサム応答、直線性
較正用入力応答
クロストーク
タイムウォーク
チャネルばらつき
検出器読み出しの例
アナログサム応答
@Qin = 1pC
Vout [V]
Vout [V]
20080228CBIAS56k
1
正ステップパルス入力
y = -0.00016854 + 0.43185x
R= 0.99995
Vout [V]
0.5
0
• 入力電荷範囲
-1.5pC ~ 1.5pC
負ステップパルス入力
-0.5
-1
-3
-2
-1
0
Qin [pC]
• Gain はデザイン通り（0.43 V/pC）
• Peaking time ~ 20ns
1
2
3
較正入力応答
CH0 ON 設定のロジック
CH0 LVDS 出力及び SumOUT
Reset
Channel 8-bit
DAC 5-bit x 8ch
DATA
CK
Carry Out
• 8-bit データプリセットにより、特定チャネルを
ON/OFF
• 各チャネルからの出力を確認、動作検証済み
クロストーク
Crosstalk
Crosstalk by
by Vth_co
Vth_co @Vin
@Vin == 1V
1V
350
350
Vthco_CH4
Vthco_CH1
[mV]
Vthco_CH6
Vthco_CH2[mV]
[mV]
Vthco_CH0
[mV]
Vthco_CH7
[mV]
Vthco_CH5
Vthco_CH3
[mV]
• コンパレータ出力に
よる評価（信号は内
部で１０倍増幅）
• 隣： 1~3%
• その他：Max. 0.6%
• FE2006 と同等
300
300
Vth_co
[mV]
Vth_co
Vth_co [mV]
[mV]
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
00
00
11
22
33
44
Channel
Channel
Channel
Channel
55
66
77
Gain Variation
0.46
チャネルばらつき
Peaking Time
22.5
Gain [V/pC]
Peaking time [ns]
0.455
22
Peaking time [ns]
Gain [V/pC]
0.45
0.445
0.44
0.435
ゲイン±4%
0.43
21.5
21
20.5
ピーキングタイム
±6%
20
0.425
0.42
0
1
2
3
4
5
6
19.5
7
0
Channel
Vth_variation20080314
-300
1
2
3
4
Channel
Timewalk_lowVth
5
7
31
@Vth = 1.4fC
Vth-d [mV]
Delay_CH0
Delay_CH1
Delay_CH2
Delay_CH3
Delay_CH4
Delay_CH5
Delay_CH6
Delay_CH7
30
-350
29
28
-450
Delay [ns]
-400
Vth [mV]
6
Vth 最大34%
[ns]
[ns]
[ns]
[ns]
[ns]
[ns]
[ns]
[ns]
タイムウォーク
最大 5.8ns
27
26
25
-500
24
-550
0
1
2
3
4
Channel
5
6
7
23
0
0.5
1
Qin [pC]
1.5
京都大 m-PIC 読み出し例
• 線源：Fe55
Gas:Ar:90% C2H5:10%
• μ-PIC 1strip入力による
アナログ出力
仕様
入力電荷範囲
ゲイン
ゲインばらつき
コンパレータ入力ゲイン
ノイズ @CD=100pF
クロストーク
タイムウォーク
Vth 補償用 DAC
較正用入力
消費電力
FE2006 から
の改善点
* 隣りチャネル
FE2006
FE2007
-1.5 ~ 1.5pC
←
0.44V/pC
←
15%
8%
1.3V/pC
13V/pC
5900e
6000e
0.6% (1~3%*)
←
< 9ns
< 6ns
1 ~ 30mV (1mV/bit)
10~300mV (10mV/bit)
ー
○
29mW/ch
30mW/ch
FE2007 量産
• 良品選別テストを実施
–
–
–
–
対象： 80 チップ
日程：３日間（7/22 - 24）
参加人数：５名
テスト内容： DC/AC
• 結果：良品 76 チップ（良品率：95%）
– 不良内訳
• ロジック出力不良（予定のタイミングで変化しない）：１チップ
• LVDS 出力不良（特定の Vth で出力がでない）：３チップ
高密度実装による多チャネル化
•
•
•
•
•
•
MCM (Multi Chip Module) 開発中
保護ダイオード、パスコン等内蔵
チャネル： 16 （２チップ）ないし 32（４チップ）
サイズ： 30mm X 30mm
開発中４チップ版 MCM
実装： BGA
部品面
実装面
テスト課題
–熱
– クロストーク
ASIC 教育プログラム
•
•
•
•
•
•
FE ASIC を用いた ASIC の実製作が可能
対象：大学院生、ポスドク、若手研究者
コース３：アナログライブラリを用いた製作実習
日程：９月１０～１２日および２月中旬
参加予定人数：２９名（製作実習は１２名）
申込は締切、受講者へ案内中
まとめ
• FE2007 における改善点
– ゲインチャネルばらつき
• アナログゲインばらつき 15% → 8% に改善
– コンパレータ入力レベル引き上げ
• より低い Vth 設定を実現、タイムウォークの改善
– 較正用入力の実装
• FE2006 と同等のクロストークをキープ
•
•
•
•
μ-PIC 接続試験において信号確認済み
量産テストの結果、95% の良品率
高密度実装による多チャンネル化を展開
ASIC教育プログラムを実施予定
今後の予定
• 開発
– テスト
• 量産テスト用 Vth ばらつき自動測定プログラム
• FE2007MCM
– シミュレーション
• オフセットばらつき（Vth チャネルばらつき改善のため）
• 寄生素子抽出
– レイアウトデザインルールアップデート
• 小 L 長抵抗値ばらつきの改善効果
– 多チャンネル化・低消費電力化に向けた開発
• ユーザサポート
– ASIC教育プログラムの実施
– 京都大 FE2007 用基板によるμ-PIC マルチチャネル読み
出しテスト
– 中性子検出器の読み出しテスト

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