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ワイドダイナミックレンジアンプの開発

ワイドダイナミックレンジアンプの開発. 片寄祐作　　　　　横浜国大・工 池田博一　　　　　 JAXA/ISAS 田中真伸　　　　　 KEK. 1. 　研究の背景 0.5μmCMOS プロセスによる　 ASIC 開発 0.25μmCMOS プロセスによる ASIC 開発 4. 　まとめ. 2010 年 7 月 １日オープンソースコンソーシアム　ワークショップ ＠ KEK. 研究の背景 - GeV から TeV 領域の高エネルギー宇宙線観測実験 -. 最近の実験と 検出器 の例 ●　 ATIC BGO + PMT(Anode+Dynodes) + ASIC

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ワイドダイナミックレンジアンプの開発

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Presentation Transcript

  1. ワイドダイナミックレンジアンプの開発 片寄祐作　　　　　横浜国大・工 池田博一　　　　　JAXA/ISAS 田中真伸　　　　　KEK • 1. 　研究の背景 • 0.5μmCMOSプロセスによる　 • ASIC開発 • 0.25μmCMOSプロセスによる • ASIC開発 • 4. 　まとめ 2010年 7月 １日オープンソースコンソーシアム　ワークショップ ＠KEK

  2. 研究の背景-GeVからTeV領域の高エネルギー宇宙線観測実験-研究の背景-GeVからTeV領域の高エネルギー宇宙線観測実験- 最近の実験と検出器の例 ●　ATIC BGO + PMT(Anode+Dynodes) + ASIC ( BGO22X0　、10MeV – 20TeV ) ●　CREAM TRD, Tungsten-Scintillating fiber + HPD+VA32HDR2 （1fC以下 – 15000fC） ●　Fermi LAT CsI(Tl) + Dual PIN PD + ASIC 　　（W:1.5X0+CsI:8.6X0、5桁の読み出し） ●　CALET PbWO4 + PD,APD + Hybird IC （W:3X0+PbWO4:27X0、0.5 ～106粒子) BESS Fermi LAT 20GeV　～　1TeV ATIC<　数十TeV CREAM 10GeV　～　100TeV CALET 1GeV- 1000TeV

  3. ワイドダイナミックレンジアンプＡＳＩＣ開発ワイドダイナミックレンジアンプＡＳＩＣ開発 要求性能 • 4桁のダイナミックレンジでの測定 　　 １ｆＣ以下から数十pC • 　低消費電力、多チャンネル、放射線耐性 ●　0.5μmCMOSプロセスによるASIC開発　 2008年　「ASICデザイン講習および製作実習」に参加 KEKASICライブラリー（FE2006）を使用。 　●　 0.25μmCMOSプロセスによるASIC開発 2009年9月～　 OPEN-IP(JAXA 、池田氏)を使用　　　　　　　

  4. 0.5μmCMOSプロトタイプＡＳＩＣのブロック図 時定数：500nsec 時定数：1μsec～10μsec カットオフ周波数：30MHz 電源電圧：±2.5Ｖ 積分用コンデンサの容量:12ｐF PZC：High gain ×8, Low-gain×1/2 LPF: 多重帰還型ローパスフィルター

  5. Charge amp. PZC(Low gain) LPF(Low gain) Buffer PZC(High gain) LPF(Low gain) Buffer シミュレーションによって決定した回路図。 　各パートのボックスはKEKで開発された回路で CMOSとコンデンサ、抵抗で構成されている。 回路周りのCMOS、抵抗はバイアス電源。 １ｃｈ分の回路構成 ライブラリー　FE2006

  6. 0．5μｍＣＭＯＳプロセスによる試作回路 ＴＳＭＣ社　0.5μmCMOS

  7. 性能評価：リニアリティ 正入力　　　　　　　　　　　　　　負入力 約1300fC(<5%) High gain High gain 約26000fC(<5%) 約700fC(<5%) Low gain Low gain 約8600fC(<5%) 16倍

  8. 性能評価 ノイズスロープ 宇宙線ミュー粒子測定 CsI(Tl)+Si PIN-PD (18×18mm2) Peak=7.8 fC FWHM[fC]= 3.2×10-4[fC/pF]×C + 0.27[fC]

  9. まとめ • 0.5μmCMOSプロセスにより光センサーに用いるワイドダイナミックレンジなASICを開発した。 KEK　ライブラリー　FE2006を使用。 • 性能 　　　●最大レンジ：約26pC 　　　●消費電力：28.6mW(+2.5V)、37.7mW(-2.5V) 　　　●ノイズレベル：　～０．3ｆＣ＠100pF

  10. 0.25μmCMOS　ワイドレンジアンプASICのブロック図0.25μmCMOS　ワイドレンジアンプASICのブロック図 ・ASICの微細化→　低消費電力、 TID対策 ・多チャンネル化 ・ADCの実装 ・ゲイン切り替え

  11. 回路デザイン：Charge amp. OPEN-IP（JAXA） Shaper回路部分 直流帰還調整電圧入力

  12. 回路デザイン：Shapingamp. PZC

  13. 回路デザイン：Charge amp.+Shaping amp. Charge amp. Sharping amp. Capacitor部分 C:4pF +4pF(SW)+8pF(SW) 共通回路 PZC 1pF 4pF 16pF 64pF amp. 漏れ電流補償回路 Registor部分

  14. 回路デザイン：Shapingamp.+ADC COMMON内部 Shaping amp. ADC

  15. ウィルキンソン（Wilkinson）型ADC スイッチ信号 ADC出力 （パルス幅） ランプ電圧 （コンパレータ入力） シェーパーアウト信号

  16. SPICEによるWDAMPの性能評価 リニアリティー Lowest-gain Highest-gain Digital control inputs. LG0,LG1:on Vth=100mV コーナー条件：TT LG0,LG1:off Vth=100mV コーナー条件：TT

  17. デジタル制御 制御レジスタ：CONTROL_CCR 、　CONTROL_LCR コントロール用外部入力と関係した出力信号 INPUT RESTORE1 : Preamp. レストア 信号 RESTORE2 : Shaping amp. レストア信号 HOLDB ： Shaping amp. out ホールド信号 INITB : 制御レジスタ　リセット信号 DIN : 制御レジスタデータ WCK : レジスタ書き込み用クロック WR : レジスタ書き込み許可信号 SELCK : レジスタセレクト信号用クロック SELIN : レジスタセレクト信号 OUTPUT DOUT : レジスタデータ出力 SELOUT : -> SELIN WIDTH0-3 : ADC出力 MONOUT : preamp. out(MONOUT0)/shaping amp. out(MONOUT1) AOUT : ホールド出力

  18. 回路デザイン　全体図 Analog monitor out Digital control inputs. ADC 出力　16ch =4ch/amp.×4amps 入力　4ch

  19. 0.25μmCMOSプロセスによるレイアウト図 Analog部　　　　　　Digital部 Bias電源回路 +register CSA+S.A.+ADC +register ADC 出力　16ch 入力　4ch 空きエリア VSS 電源ライン シリコンアーティスト テクノロジー社 Analog部　　　　　　Digital部

  20. まとめ 宇宙線カロリメータに使用する　ワイドダイナミックレンジアンプの開発を行っている。 ・　0.5μmCMOSプロセスのASICを開発し、 　　性能を評価した。 [KEK　ライブラリー使用] ・　0.25μmCMOSプロセスによるASIC開発中 [JAXAOpen-IPを使用] 　　レイアウト図まで完成。

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