ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 53-57
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.382
ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ МЮОННОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТА CBM © 2014 г. Э. В. Аткин, Е. З. Маланкин, В. В. Шумихин
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 E-mail: evatkin@mephi.ru Поступила в редакцию 26.06.2013 г.
Представлены структура и результаты экспериментального исследования специализированной интегральной микросхемы, содержащей в своем составе два варианта предусилителя для съема и предварительной обработки сигналов мюонных камер. Микросхема спроектирована для работы в мю-онной системе международного эксперимента СВМ, ускорительного комплекса FAIR (Дармштадт, Германия) и изготовлена по к.м.о.п.-технологии с проектными нормами 0.18 мкм компании UMC (Тайвань) через Европейскую организацию Europractice.
DOI: 10.7868/S0032816214020037
ВВЕДЕНИЕ
Мюонная система международного эксперимента CBM [1], разрабатываемая на новом ускорительном комплексе FAIR (Дармштадт, Германия, http://www.fair-center.eu) построена на основе газовых детекторов высокого разрешения и содержит около 1 миллиона каналов. Для считывания сигналов этой системы необходимо использование специализированных многоканальных микросхем. В данной статье описан прототип микросхемы, разработанный для съема сигналов мюонных камер эксперимента CBM, приведены результаты моделирования и лабораторного исследования опытных образцов в составе спроектированных печатных узлов [2].
СТРУКТУРА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Разработанная микросхема содержит два варианта предусилителя. Один вариант включает в себя классическую структуру последовательно соединенных зарядочувствительного усилителя (з.ч.у.) и усилителя-формирователя (у.ф.). В другом варианте предусилителя функции у.ф. интегрированы в схему з.ч.у. Из-за пассивных элементов версия канала, содержащая отдельный у.ф., занимает на кристалле микросхемы площадь, существенно большую, чем альтернативная версия (1050 х 100 мкм2 против 200 х 100 мкм2). Сокращение площади является важным фактором, который позволяет снизить конечную стоимость считывающей электроники в пересчете на отдельно взятый канал.
Разработанные предусилители предназначены для съема сигналов емкостных датчиков, имеющих паразитные (конструктивные) емкости до 100 пФ, диапазон сигналов 1.5—100 фКл (отрицательный входной заряд) и не требующих компенсацию токов утечки. Они спроектированы по техническим требованиям, предъявляемым к электронике съема сигналов мюонной камеры эксперимента CBM (FAIR, Дармштадт) [2] и разработаны по к.м.о.п.-технологии с проектными нормами 180 нм компании UMC (Тайвань). Размер кристалла микросхемы составляет 1525 х 1525 мкм.
Структура микросхемы содержит:
— 4 рабочих канала з.ч.у. + у.ф.;
— 1 тестовый канал з.ч.у. + у.ф., в котором дополнительно выведены на внешние контактные площадки промежуточные, наиболее характерные точки, что позволяет более детально подбирать режим канала;
— 5 рабочих каналов варианта з.ч.у. со встроенными функциями формирования сигнала, имеющего принципиально меньшую площадь, занимаемую на кристалле;
— блок операционного усилителя (о.у.);
— дополнительный тестовый блок для оценки потенциальных возможностей использованной к.м.о.п.-технологии.
На рис. 1 представлена структурная схема канала з.ч.у. + у.ф. Первый каскад з.ч.у. построен по схеме общего истока, в качестве входного транзистора использован м.о.п.-транзистор n-типа (ширина канала 7 мм, длина канала 360 нм). Второй каскад — усилитель тока, обеспечивающий перезарядку миллеровской емкости входного транзи-
54
АТКИН и др.
Усилитель-формирователь
Рис. 1. Структурная схема канала з.ч.у. + у.ф.
стора и дополнительное усиление мощности. На выходе з.ч.у. используется повторитель напряжения (каскад с общим стоком). Режимный потенциал (при номинальном напряжении питания +1.8 В относительно земли) на входе и выходе з.ч.у. равен +320 ± 20 мВ.
Для разрядки емкости в цепи обратной связи з.ч.у. и задания режима входного транзистора использован резистор номиналом 500 кОм. Параллельно последнему стоит длинноканальный п-м.о.п.-транзистор, на затвор которого подается управляющий потенциал ¥В (подбирается при лабораторном тестировании в диапазоне 0...+1.8 В), что позволяет подстраивать форму спада импульсного отклика з.ч.у.
По результатам моделирования на рис. 2 приведено семейство отклика на выходе з.ч.у. при изменении входного сигнала (заряда) от 1.5 до 100 фКл.
За з.ч.у. (см. рис. 1) в каждом из пяти (включая тестовый) каналов следует у.ф. Он оптимизирован для работы с сигналами положительной полярности и представляет собой схему неинвертирующе-го фильтра 2-го порядка со структурой Салена—Ки [3], построенного на основе микромощного о.у. Для оценки параметров о.у. он введен в состав микросхемы дополнительно как отдельный тестовый блок.
Время достижения максимума сигнала на выходе формирователя составляет около 200 нс. Основное назначение фильтра состоит в укорочении длительности сигнала до 500 нс (в повышении загрузочной способности канала до 2 МГц) и улучшении в канале отношения сигнал/шум (функция шумового фильтра).
Второй вариант з.ч.у. разработан по каскодной схеме с истоковым повторителем на выходе. Ширина канала входного транзистора усилителя составляет 4 мм и длина канала 360 нм, канал имеет проводимость п-типа. Емкость обратной связи з.ч.у. составляет 200 фФ. Для разряда конденсато-
Рис. 2. Семейство выходных сигналов первого варианта з.ч.у.
ра был использован резистор номиналом 1 МОм. На рис. 3 приведено семейство выходных сигналов этого варианта предусилителя.
ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ
На вход предусилителя через емкость 1 пФ подавалась ступенька напряжения с генератора прямоугольных импульсов, которая имитировала входной заряд с детектора. В результате были получены ос-
300 -1-1-1-1
0 0.25 0.50 0.75 1.00
I, мкс
Рис. 3. Семейство выходных сигналов второго варианта предусилителя.
Рис. 4. Выходной отклик з.ч.у. (а — масштаб по вертикали 50 мВ/деление, по горизонтали — 100 нс/деление) и з.ч.у. + у.ф. (б — 20 мВ/деление, 200 нс/деление).
Рис. 5. Изменение амплитуды на выходе з.ч.у. при увеличении емкости детектора (10 мВ/деление, 200 нс/деление).
циллограммы выходных откликов з.ч.у. и у.ф. (рис. 4).
На рис. 5 показаны осциллограммы выходного отклика з.ч.у. при значениях емкости детектора 1 и 100 пФ. Амплитуда выходного сигнала уменьшается при емкости 100 пФ на 15%, что является следствием конечности коэффициента усиления з.ч.у. без обратной связи, значение которого составляет около 1500.
Длительность выходного сигнала канала по основанию составляет 500 нс, что соответствует частоте загрузки 2 МГц. Потребляемая мощность канала составляет 1.2 мВт. Коэффициент усиления з.ч.у. равен 2.5 мВ/фКл, канала — 6 мВ/фКл. Интегральная нелинейность передаточной характеристики канала составляет 4%.
На рис. 6 показана осциллограмма выходного отклика второго варианта з.ч.у. Длительность выходного сигнала по основанию составляет 500 нс.
Рис. 6. Выходной отклик второго варианта предусилителя (10 мВ/деление, 200 нс/деление).
56
АТКИН и др.
^вых, мВ
500 г
400 300 200 100
60 80 100 £>вх> ФКл
Рис. 7. Экспериментальная передаточная характеристика второго варианта предусилителя.
ENC, электронов 3000
2500
2000 1500 1000 500 0
О«, пФ
Рис. 8. Зависимость эквивалентного шумового заряда от емкости детектора.
0
Потребляемая мощность данного варианта составляет 2 мВт.
На рис. 7 представлена полученная передаточная характеристика з.ч.у. Интегральная нелинейность характеристики составляет 3%. Коэффициент усиления з.ч.у. равен 5 мВ/фКл.
В результате оценки амплитуды шумовой дорожки сигнала получено значение эквивалентного шумового заряда для обоих вариантов канала.
Эквивалентный шумовой заряд (ENC) канала з.ч.у. + у.ф. при емкости детектора 100 пФ равен 2427 электронов. Для второго варианта предусилителя эквивалентный шумовой заряд при емкости детектора 100 пФ составил 2500 электронов.
На рис. 8 приведены зависимости значения эквивалентного шумового заряда от емкости детектора для обоих вариантов канала.
Основные характеристики обоих вариантов предусилителя, полученные в ходе экспериментального исследования опытных образцов, приведены в сравнительной таблице.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны два варианта предусилителя в интегральном исполнении для съема сигналов с мю-онных камер. Оба варианта обеспечивают соизмеримые шумовые характеристики. При этом структура с отдельным у.ф. второго порядка позволяет достичь необходимых шумовых характеристик при более низком энергопотреблении,
Параметр Вариант 1 с отдельным у.ф. Вариант 2 со встроенным у.ф.
Коэффициент усиления, мВ/фКл 6 5
Диапазон входных сигналов, фКл 1.5-100 1.5-100
Максимальная частота загрузки канала, МГц 2 2
Потребляемая мощность, мВт/канал 1.2 2
ENC, электронов: при С^ = 1 пФ 875 1070
С^ = 100 пФ 2427 2500
Площадь, занимаемая на кристалле микросхемы, мкм2 1050 х 100 200 х 100
чем вариант без у.ф. В то же время из-за большой площади, занимаемой пассивными элементами фильтра (по площади варианты различаются в 5 раз), вариант с использованием фильтра становится менее предпочтительным для использования в многоканальных системах.
Данная работа является частью работ по созданию считывающей электроники для международного эксперимента СВМ нового ускорительного комплекса FAIR (GSI, Дармштадт, Германия). Она выполнена при поддержке гранта № 14.A12.31.0002
в рамках постановления Правительства РФ № 220 и гранта Исследовательского центра ФАИР-Рос-сия (http://www.frrc.itep.ru).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Heuser JM // Nucl. Phys. A. 2013. P. 941.
2. Atkin E, Malankin E, Shumikhin V. CBM Progress report 2012. Darmstadt, Germany, 2013. P. 52.
3. Sallen R.P., Key E.L. A Practical Method of Designing RC Active Filters // IRE Transactions on Circuit Theory. 1955. P. 74-85.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.