放射線計測を目的とした 半導体検出器用アナログASICの低雑音化 東京大学理学系研究科物理学専攻 ISAS/JAXA 田村 健一 蛭田 達朗、高橋 忠幸（東大理、ISAS/JAXA） 高島 健、中澤 知洋（ISAS/JAXA） 池田 博一（高エ研）、木原 邦夫（広大理） ＮＡＳＡ X線・可視光で見た 活動銀河（Cen-A) アナログASIC ＝ 次世代検出器の実現の鍵 硬X線イメージャ（10～100keV） CdTeのピクセル型半導体 （テルル化カドミウム） [1,2,3] ２次元アナログASIC CdTe半導体 10 keV の硬X線 2300 e のキャリアが発生 目標は 雑音レベル＜100e-（RMS） （CdTeで1keV（FWHM）に相当） 低雑音のアナログ回路を研究するため 64chアナログASICを開発・ノイズ評価 [1]高橋et al, IEEE Trans. Nucl. Sci. (2001) [2]田中et al, New Astro. (2003) [3]中澤et al, IEEE Trans. Nucl. Sci. (2004) 64chアナログASICの回路構成 ピークホールド回路 2pF CSA =高抵抗回路 10mm 1chの回路 5mm P/H 2pF Vth コンパレータ 64chアナログASICの回路構成 ピークホールド回路 2pF P/H 2pF CSA =高抵抗回路 Vth コンパレータ 10mm 1chの回路 低雑音のための工夫点 ・ CSA用増幅器の初段FETをPMOSに 5mm 64chアナログASICの回路構成 ピークホールド回路 2pF P/H 2pF CSA =高抵抗回路 Vth コンパレータ 10mm 1chの回路 低雑音のための工夫点 ・ CSA用増幅器の初段FETをPMOSに 5mm ・ kT/Cノイズを無視できるように 積分回路を挿入してS/N比の向上 64chアナログASICの基本仕様 ファウンダリ TSMC 0.35-mm CMOS 消費電力 108 mW （1.5mW/ch) 回路サイズ 120 mm × 5 mm / ch 整形時定数 0.5 us ～ 1.9 us 増幅率 40uV / e- ～ 640uV / e- CdTe半導体と接続して動作実証 ・64 ch のうち 1ch にCdTeダイオードを接続 （2 mm 角、0.5 mm 厚） ・セルフトリガーでイベント取得 ・動作条件：20 ℃、バイアス電圧 400V 133Ba のスペクトル 241Amのスペクトル 4.6 keV 5.4 keV [FWHM] 0keV 40keV 80keV [FWHM] 飽和 0keV 40keV 80keV ラインガンマ線のスペクトルの取得に成功 半導体を読み出せる実用的なノイズレベル達成 ノイズレベルの評価 容量 vs ノイズレベル コンデンサー を挿入 CIN ＣＳＡ ノ イ ズ レ ベ ル （e-） 実測値 ※配線の容量はゼロとしてプロット 65 e/pF 50 e/pF 317 e- @ 0pF SPICEシミュレーションの結果 シミュレーションより悪い 91 e- @ 0pF 入力容量 CIN （pF） 実測値の容量勾配はシミュレーションより30％も大きい 入力容量に依存したノイズがのっている ⇒ CSAに原因？ ノイズ源の考察（１） 原因の究明 ノイズ源を追っていくと CIN に依存するノイズ源 ⇒ CIN に接続している初段FETが怪しい マイナス電源（VSS）が揺れると ⇒ 初段FETのドレイン電流が揺れる ⇒ 初段FETのゲート電圧が揺れる CIN 初段FET VSS シミュレーションで定量的に評価 －1.3V（VSS）の揺れ 0.1mV p-p @100 kHzで 約 40e- 悪化 実際の測定セットアップで無視できない大きさ 電源の揺れに対する感度を下げる対策へ ノイズ源の考察（２） 対応策の検討 CSA回路を改良 この部分の回路 従来の回路 RCフィルターを追加 CSA回路の改良後の効果 電源（VSS）の揺れに対する感度のシミュレーション結果 電圧 感度（ｄB） 1/10 の電圧感度へ 周波数（Hz） 電源ラインの揺れの影響を無視できる 次回のアナログ回路からこの回路を導入 まとめ ・64 ch 1次元 アナログASICを設計・開発・評価 ・ラインガンマ線スペクトルの取得に成功 ΔE= 4.6 keV (FWHM) @ 59.5 keV ・半導体検出器を読み出し可能な実用的なノイズレベル ノイズレベル = 317e- (RMS) @0pF ・ノイズレベルがシミュレーションの91e- に届かなかった原因を考察 ⇒CSAが電源の揺れに弱いことを発見し、解決策を提案 今年の目標 32×32 ch、200 um ピッチの ２次元アナログASICを開発 レイアウト図
© Copyright 2025 ExpyDoc
![[PRESS RELEASE] 細胞再生医学教室 研究成果](http://s3.expydoc.com/store/data/008010730_1-422f722d2b53e1837931e99079cfb904-250x500.png)
