X線CCD読み出し用ASICについて 2008.2.18 松浦大介、中嶋大、常深博 資料内容 • ASICの概要 – 開発目的 – CCDの信号処理方法 – 阪大ASIC紹介 • ASIC回路構成 • 性能 • X線CCDと組み合わせた試験結果 – セットアップ – 試験結果 – 4出力の平均をとった結果 X線天文学におけるX線CCD 宇宙からのX線は地球大気で吸収されてし まうために、観測機器を人工衛星に搭載し て天体観測を行う。 http://www.astro.isas.ac.jp/astroe/ 現在のX線天体観測における一般的な光学系 ©ISAS/JAXA X線イメージ ©Chandra/ACIS ©NASA X線望遠鏡 X線CCD 焦点面検出器 X線スペクトル X線CCDは優れた撮像能力と適度な分光性能を持つバランスのとれたX線検出器。 X線CCDと可視光CCDの比較 検出するエネルギー １光子当たりのCCD で発生する電荷 信号電荷 可視光CCD 3～6 eV 1～2 個 数万～数10万個 （光子を積分） X線CCD 0.3～10 keV 80 ～2700 個 80 ～2700 個 （光子計測） LSI開発の動機 問題点：時間分解能が悪い（数秒） -> X線天体の時間変動は数10ミリ秒 対応不可 原因 １．読み出し雑音を抑えるために１画素当たりの読み出しを速くできない ２．読み出す画素数に対して読み出しノードが少ない 改善策 １画素当たりの読み出し速度はそのままで読み出しノードを増やし、 並列信号処理を行う。 CCDの典型的な読み出し速度 １画素当たり10μ秒 100万画素を１つのノードより読み出すと10秒かかる。 ノードを100個に増やせば読み出し時間は100ミリ秒に改善する。 しかし、ディスクリートな部品で数百系統の回路の実現は困難である。 読み出し回路のLSI化 CCDからの出力信号と信号処理方法 5us １画素 0.5V 信号成分 雑音成分 ・ホワイト雑音 ・1/f雑音 シグナルレベル 信号成分 強度 フローティング レベル sin2i 1x 2i 1 i 0 f m noise N 1 C f n バンドパス フィルターが必要。 プリアンプ倍率26倍 温度－60度。 1/f雑音 フローティングとシグナルレベル差 →画素の信号波高値 ホワイト雑音 周波数 (f) 積分型相関２重サンプリング : iCDS (integrated Correlated Double Sampling) フローティングとシグナルレ ベルの電圧を一定時間積 分し、その差を読み出す。 F F S － S = 出力 読み出すCCDの仕様 CCD-NeXT2 ウェハ 撮像領域 読み出し口数 Full well CCD-NeXT2 Ｐ型 24mm x 48mm 4個 200ke- →700mV CCD-NeXT2仕様書参照 2k4k ウェハ 撮像領域 読み出し口数 Full well Ｎ型 30mm X 30mm 4個 100ke- →500mV 2005.12の浜ホト会議の資料参照 目指すASICの仕様 読み出し回路数 4個以上 ダイナミックレンジ Full well（1V） 読み出し速度 1MHz 雑音 30 uV以下 @ 100kHz Pch 2k4k ASICの写真 阪大ASICの紹介 ASIC仕様 チップサイズ チャンネル数 電源 製造プロセス 8 mm 8 mm X 2.5 mm 2 2.5 V TSMC 0.25um CMOS ISAS/JAXA（PI：池田博一教授）で開発を進めている 2.5 mm 回路IP (OPEN IP)を用いて回路設計を行った。 回路ダイアグラム 真空層 LSIチップ 増幅 増幅 ※ウィルキンソン型ＡＤＣ iCDS回路の構成と動作 ゲート信号１ CCD信号入力 AD変換が終了するまで 積分器の出力を保持する。 フローティング レベル用 to ADC ゲート信号２ Ti Ti シグナル レベル用 Tg to ADC それぞれの電圧レベルの積分を行い、AD変換した出力を引き算する。 ① iCDS回路の出力波形 CCD擬似信号 フローティングレベル用 フローティング ② ③ ① ④ シグナル 積分回路とホールド回路のゲート信号 ② ③ ⑤ シグナルレベル用 ホールド回路の出力 GND ④ ⑤ ウィルキンソン型ADCの回路構成 コンパレータ iCDS回路 ラッチ回路 FFPx12 ランプ回路 クロック(fclock) 12ビットカウンタ 4096 4096 AD変換時間 20s fclock 200MHz コンパレータ とラッチ回路を増やすだけで、ADCの数を増やすことができる。→多チャンネル化が容易 ウィルキンソン型ADCの出力波形 取得したデータより作成したヒストグラム CCD擬似信号 積分出力 Floating 積分出力 それぞれの値を引き算したヒストグラム RAMP 信号 WIDTH信号 WIDTH信号 ＣＣＤ信号の読み出し X線イメージ（約6keV） 24mm 常深研と浜ホト で共同開発したX線CCD 4.8 mm X線スペクトル 既存のシステム counts counts ASIC 性能 読み出し雑音 エネルギー 分解能(5.9 keV) 読み出し速度 5.9 keV 710eV 25 kHz 6.5 keV エネルギー (keV) エネルギー (keV) 55個 既存のシステムと比較し て雑音レベルが10倍大き かった。 雑音源と改善策 既存のiCDS回路のカットオフ周波数は約1MHz。 高抵抗をポリシリコンではなく、電子回路で置き換えた。 雑音源 1pF 100 pF 10 kΩ 1MΩ LSI化 OTA 実装面積の比較 1MΩの抵抗の代わりに、1MΩ相当のOTA ・抵抗 23.2 um2/1K を用いれば実装面積を約1/10にできる。 2 ・OTA 2800 um /数100k～数GΩ 設計方針の変更 積分方式 C 多重サンプリング方式 C SC回路 Cs R 設計方針変更 R = 1/f Cs f : サンプリング周波数 Cs = 60 fF, f = 16 MHz R = 1 MHzを実現可能。 ASICの紹介２ MND01のマスクレイアウト MD01の写真 1channel 3 mm 3 mm 3 mm 80ピンのQFPにパッケージング。 2チップのピン配置は同じ。 ASIC仕様 チップサイズ チャンネル数 電源電圧 製造プロセス 3mm x 3mm 4 3.3V TSMC※0.35umCMOS ※Taiwan Semiconductor Manufacturing Company デジタル部分、パッドはISAS/JAXAの池田先生が開発した回路 IP(OPEN IP)を使用。 15 mm 回路構成 1チャンネルの回路構成 X-ray CCD ビットストリーム(155ビット) Preamplifier 5-bit DAC odd DS modulator 00101010010111 0101111….. even DS modulator 00101010010111 0101111….. J. P. Doty US patent serial number 11/307435, international patent serial number PCT/US2006/004330 CCD信号 回路機能 ・Preamplifier ・5-bit DAC ・DS modulator 入力信号を増幅。増幅率は0.6～10倍を9段階 で可変。ただし、MD01は10 倍の一定値。 シグナルレベルに電圧を与え、不必要な電圧 レベルを打ち消す。 バンドパスフィルター兼ADC。読み出し周波数 を上げるために1チャンネル当たり２つの モジュレータを実装。 信号波形 それぞれの信号波形のテストポイント A. Input signal 20us 20mV 1チャンネルの回路構成 A Preamplifier 5-bit DAC B odd DS modulator C even DS modulator D B. Output of 100mV Preamplifier (x10) C. Output of odd modulator 1V D. Output of even modulator 1V 1st DS modulatorの構成 Integrator order モジュレータ Sampling circuit Comparator (1-bit ADC) Input 出力電荷の極性 変換が可能 Output Reference voltage 1-bit DAC Z関数モデル Z 1 e j 2fTclk Tclk クロック周期 f 周波数 E(z) 量子化雑音 Y(z) U(z) V(z) Z 1 V ( z) Y ( z) E( z) U ( z) Z 1 Y ( z) V ( z) E( z) U ( z) (1 Z 1 ) E( z) U ( f ) 2 sin(fTclk ) E( f ) Z 1 Noise shaping （highpass filter） モジュレータの次数を増やすとNoise shapingの効果が上がる。阪大ASIC は2nd orderのモジュレータ。 →SN改善 Power spectrum density デシメーション V ( z) U ( f ) 2 sin(fT )E( f ) clk 出力に含まれる高周波の量子化雑 音を取り除くために、デシメーション フィルター（lowpass filter）が必要。 x(n) : n-th 出力 w(n): フィルター係数 Decimation filter n 155 (2 x(n) 1) w(n) ASIC出力 n 1 00101010010 w(1) w(2) w(3) w(4) 111010111… 信号処理のダイアグラム デシメーションフィルター 信号 (lowpass filter) 量子化雑音 Noise shaping Frequency AD変換値 フィルター係数とサンプル数により ADCの分解能が決まる。 CCD signal DS modulator Post Reset Deint Int フローティングレベルとシグナルレベルをそれぞれ35回サンプリングし相関をとる。さらに 85回モジュレータを回す。 H H U H H 35thsampling correlation decimation E noiseshaping 読み出し周波数 V.S. 雑音 (MND01) 170 150 MD01 最大読み出し周波数（156kHz） ch0e ch1e ch2e ch3e ch0o ch1o ch2o ch3o 130 noise (uV) 110 90 70 50 30 10 10 100 1000 Pixel rate (kHz) MD01の雑音はpixel rate 19.5kHzで約34uVであった。 雑音面ではMD01より劣る。 10000 注：入力電圧差0mV – 20mV 45uV @19.5kHz 65uV @625kHz S/N比 : 40mV/45uV => 約890 読み出し周波数 V.S. 消費電力 Power consumption (mW) 140 MND01 VCC=3.3V 130 MND01 VCC=3.5V 120 MD01 VCC=3.3V 110 MD01 VCC=3.5V 100 90 80 70 60 MD01 最大読み出し周波数（156kHz） 10 100 1000 10000 Pixel rate (kHz) MD01の電力が読み出し周波数と共に下がるのは、 内部回路の速度が対応できないため。 80mW 100mW MND01は読み出周波数625kHzでも回路は十分に動作している。 @19.5kHz @625kHz MD01とMND01の性能比較 MD01の性能 INL（積分非線形性） 入力レンジ 読み出し速度 消費電力 雑音（入力電圧換算） 0.2% ±20mV 156 kHz 70mW ※ 34uV ※ 低雑音読み出し用 MND01の性能 INL（積分非線形性） 入力レンジ 読み出し速度 消費電力 雑音（入力電圧換算） 1.4% ±300mV （プリアンプゲイン最小時） 625 kHz 80mW ※ 100mW ☆ ※ : pixel rate = 19.5KHz 45uV ※ ☆: pixel rate = 625KHz 65uV ☆ 高速読み出し用 目標の性能 入力レンジ 読み出し速度 雑音（入力電圧換算） 1V 1 MHz 30uV @ 100 kHz 資料内容 • ASICの概要 – 開発目的 – CCDの信号処理方法 – 阪大ASIC紹介 • ASIC回路構成 • 性能 • X線CCDと組み合わせた試験結果 – セットアップ – 試験結果 – 4出力の平均をとった結果 阪大試験装置概略 真空層 デシメーター (VHDL) CCD board CCD Analog Signal ASIC outputs DP (CPU & FPGA) “Armadillo system “ digital Signal (LVDS) MiKE system ASICを実装したCCD読み出し基 板(CCD board)は3種類製作した。 CCD NeXT2の写真 CCD NeXT2 CCD NeXT2素子の評価試験結果は 2007.7.24の中本HPK会議資料参照。 本実験セットアップの写真 CCD NeXT2 CCDの仕様 画素サイズ 画素数 読み出し口数 変換係数 ASIC 24um x 24um 2k x 2k 4 4.05 uV/e- (2007.7.24中本発表資料より) 駆動条件 温度 ピクセルレート －100度 44 kHz 期待する雑音 ASIC単体雑音 34(uV ) 8.5(e ) 変換係数 4.05(uV / e ) Pch 2k4k Pch 2k4k の写真 Pch 2k4kの評価試験結果は 2007.10.05の中本HPK会議資料参照。 本実験セットアップの写真 CCDの仕様 画素サイズ 画素数 読み出し口数 変換係数 15um x 15um 2k x 4k 4 5.51 uV/e- Pch 2k4k (2007.10.05中本発表資料より) シリアル番号 BI2-24-4K-1 ASIC 駆動条件 温度 ピクセルレート ビニング －70度 41.5 kHz 4 期待する雑音 ASIC単体雑音 34(uV ) 6(e ) 変換係数 5.51(uV / e ) イメージ CCD NeXT2を用いて取得した金属メッシュのＸ線透過画像。 X線入射窓の影 遮蔽に用いた金属メッシュの模 様がはっきりと得られた。 50 mm Ｘ線屈折コントラスト画像 蟻 メダカ http://wwwxray.ess.sci.osaka-u.ac.jp/~uchida 各CCD 試験結果(MD01) Mn Ka (5.9 keV) counts Mn Kb (6.5 keV) Si escape Si line 読み出し雑音( NeXT2)2 MD01単体雑音2 その他の雑音 Readout noise (e-) CCD NeXT2 2 (e ) 4.5(e(keV) 10(e ) 3.834 ) (uV / e Energy ) 2 Pch 2k4k Mn Ka (5.9 keV) counts Mn Kb (6.5 keV) 読み出し雑音(2k 4k )2 MD01単体雑音2 その他の雑音 2 34(e ) 4.1(e(keV) 7(e ) ) Energy 6(uV / e ) 2 next2 2k4k ch1 ch2 ch3 ch4 1 2 3 4 0 Energy resolution (eV) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 5 230 210 190 170 NeXT2 2k4k 150 130 0 ch1 ch2 ch3 1 2 3 4ch4 5 CCD NeXT2 試験結果(MND01) Readout noise (e-) chain0o 20 10 0 200 Energy (keV) 100 読み出しノイズ: 17eエネルギー分解能: 217(±5)eV (読み出し速度 44kpixels/sec) Energy resolution (FWHM) at 5.9keV 0 ch0 ch1 ch2 ch3 even/odd even/odd even/odd even/odd ４出力の平均をとる (MD01) channel 1 channel 2 channel 3 １つの信号を４チャ ンネルに入力 4出力の平均をとる channel 4 それぞれのチャンネルの雑音が独立ならば、期待される雑音は各 チャンネルの半分となる。加えてクロストークの確認。 この方法によりASIC単体雑音は34uV から期待通り18uV改善し た. NeXT2 平均 (MD01) Mn Ka (5.9 keV) Mn Ka (5.9 keV) Mn Kb (6.5 keV) counts counts Mn Kb (6.5 keV) Energy (keV) Energy (keV) 読み出し雑音 エネルギー分解能 10 e164 eV 読み出し雑音 エネルギー分解能 読み出し雑音( NeXT2)2 MD01単体雑音2 その他の雑音 2 18(uV ) 2.8(e ) 5.5(e ) 3.8(uV / e ) 2 5.5 e139 eV Pch 2k4k 平均 (MD01) Mn Ka (5.9 keV) Mn Ka (5.9 keV) Mn Kb (6.5 keV) counts counts Mn Kb (6.5 keV) Energy (keV) Energy (keV) 読み出し雑音 エネルギー分解能 7 e146 eV 読み出し雑音 エネルギー分解能 読み出し雑音(2k 4k )2 MD01単体雑音2 その他の雑音 (uV ) 5.6(e ) 618 (uV / e ) 2 2 4.7(e ) 5.6 e135 eV 外部雑音が支配的なレベル まで読み出し回路の雑音は 下がっている。 MD01 MND01 INL（積分非線形性） 入力レンジ 読み出し速度 消費電力 雑音（入力電圧換算） まとめ 0.2% ±20mV 156 kHz 70mW ※ 34uV ※ CCD NeXT2 読み出し試験結果 読み出し雑音 10e- (1ch) エネルギー分解能 (FWHM) 164 eV (1ch) Pch 2k4k読み出し試験結果 読み出し雑音 7 e- (1ch) エネルギー分解能 (FWHM) 146 eV (1ch) INL（積分非線形性） 入力レンジ 読み出し速度 消費電力 雑音（入力電圧換算） 18uV (4チャンネル平均) ※ 5.5 e- (4チャンネル平均) 〒 139 eV (4チャンネル平均) 〒 5.6 e- (4チャンネル平均) ♨ 135 eV (4チャンネル平均) ♨ 1.4% ±300mV （プリアンプゲイン最小時） 625 kHz 80mW ※ 100mW ☆ 45uV ※ 65uV ☆ CCD NeXT2 読み出し試験結果 読み出し雑音 17 e- (1ch) 〒 エネルギー分解能 (FWHM) 217 eV (1ch) 〒 ※ : pixel rate = 19.5KHz ☆: pixel rate = 625KHz 〒: pixel rate = 44 kHz ♨: pixel rate = 41.5 kHz 応答関数 H35thsampling Hcorrelation U Hdecimation Hnoiseshaping E 1 Z 35 1 Z 155 35 1 ( 1 Z ) U ( z ) ( 1 Z ) E( z) 1 1 1 Z 1 Z 2 sin(35fTclk ) 2 sin(155fTclk ) 2 sin(35fTclk )U ( f ) 2 sin(fTclk ) E( f ) 2 sin(fTclk ) 2 sin(fTclk ) 155th sincフィルター関数 応答関数 H 35th sampling : Response of multi-sampling (35 clock) H correlation : Response of correlation (35 clock) Response of total H noise shaping : Noise transfer function (1st order) 読み出し周波数 V.S. 雑音 (MD01) 積分回路 iCDS フィルター関数 tinteg tinteg Hinteg (1 exp(stinteg )) RCf s H sub 1 exp(stinterval) 2 Htotal Hinteg H sub 2 2 s j 2f 2 tinteg 1 exp( j 2f tinteg )2 1 exp( j 2f tsub)2 RC 2 tinteg 2 2 cos(2f tinteg )2 2 cos(2f tsub) RC iCDSの効果 Vin iCDSフィルター H(s) Vout Vout(s) H (s) Vin (s) 積分型相関２重サンプリングのフィルター H(s) 相関 ローパス 強度 信号成分 1/f雑音 ホワイト雑音 周波数 参考 Scientific Charge-Coupled Devices MD01 その他変更点 コントロール信号 LVDS規格 ASIC 出力信号 LVDS規格 終端 抵抗 ASIC driver decimator 終端抵抗がASIC内部にあったため、１つのドライバーで複数の素子を駆動できなかった。 MND01 コントロール信号 LVDS規格 ASIC driver ASIC 出力信号 LVDS規格 終端 抵抗 decimator 終端抵抗のオン、オフが 可能なため、複数のチッ プが駆動可能。 ½ CCD 試験で使用したX線CCD 画素サイズ 画素数 X線入射方式 ASIC 12 cm X線CCD 17 cm 24 um X 24 um 256 X 256 表面照射型 LSIの性能 55Fe X線イメージ 55Feのスペクトル 5.9 keV 6.5 keV Si エスケープ 遮蔽に用いたマスクの形がはっきり 見えた。 読み出し雑音 11eエネルギー分解能 (5.9 keV) 168±3 eV 読み出し速度 44 kHz Matsuura et al. SPIE Proc. (2007) 年次大会（2007年）春季大会で報告。 INL 試験結果 V.S. シミュレーション(MND01) ポストレイアウトミュレーション結果 Residual Residual ADC results ADC results 試験結果 ASIC入力電圧差 (V) INL 1.4% ASIC入力電圧差 (V) INL 1.5% ポストシミュレーションの時点でINLはMD01より劣ることは確認可能であった。 今回、シミュレーション結果のフィードバックができなかった。 入力電圧差 -20mV の場合のscatter plot 右図はMND01内の8つの ΔΣモジュレータの出力 (ADC results)をそれぞれ横 軸をピクセル番号としてプ ロットしたもの。 いくつかのチャンネルで跳 びが見られる。特に入力電 圧差がマイナスの場合に頻 繁に発生する。これが起こる 原因は現在調査中。
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