基于开关电容阵列的高速波形数字化ASIC研究

摘要

在粒子物理实验中，探测器输出的原始脉冲波形蕴含了丰富的物理信息，而波形数字化技术为提取全面的波形信息提供了最直接、最有效的途径。传统的波形数字化技术是基于高速ADC实现的，但随着大规模粒子物理实验中通道数的急剧增加，高速ADC受其功耗大、集成度低和成本高等因素限制逐渐不能满足粒子物理实验的需求。而基于开关电容阵列技术(Switched-Capacitor Array，SCA)的波形数字化方案采用高速采样配合相对低速量化的方法解决了高速采样和低功耗之间的矛盾，其核心是进行SCA专用集成电路(ASIC)的设计。此方向是目前国际上该领域电子学的一个研究热点，特别是在高精度时间测量方面，SCAASIC因其优异的表现受到越来越多的关注。
　　到目前为止，国际上已经有多款SCA ASIC被研制和使用，国内在这一领域也已经开始进行探索。本论文在调研典型SCAASIC的基础上，瞄准高精度时间测量的需求，进行了基于SCA架构的原型芯片的研究和设计。并针对SCA采样间隔不均匀的特性提出了相关时间修正算法。本论文的结构组织如下:
　　第一章首先分析了粒子物理实验中前端电子学的特点和发展趋势，阐明了波形数字化技术是前端电子学重要的发展方向之一。然后分别介绍了基于高速ADC和基于SCA的波形数字化技术在粒子物理实验中的应用实例，通过对比分析两种技术路线的特点，指出基于SCA实现波形数字化具有更广阔的应用前景。最后概述了本论文的研究内容。
　　第二章介绍了SCA的基本工作原理，然后根据SCA芯片采用技术路线的不同选取了国际上几款典型SCA ASIC芯片进行详细介绍，并在此基础上总结分析了SCA ASIC芯片的发展趋势以及在高精度时间测量领域的应用前景。
　　第三章针对高精度时间测量的目标，分析确定了本论文中SCA ASIC的设计指标，并对实现高速高精度以及片内量化读出的方案进行了讨论分析，最后确定了本论文设计的SCA ASIC整体架构。第四章在此基础上，介绍了各核心模块电路具体的设计与实现，并通过仿真对电路进行优化。这些模块主要包括:采样保持电路、单元读出耦合电路、量化电路、时钟产生电路和数据读出控制电路等。最后还介绍了此ASIC的版图设计以及封装考虑。
　　第五章主要介绍了SCA ASIC的电子学性能测试结果。测试表明芯片可以稳定工作在最高5.2Gsps的采样率下，芯片模拟带宽超过400MHz。在此基础上，对此ASIC用于高精度时间测量时的性能进行了评估，并提出了基于超定线性方程组的时间修正算法，结合此修正技术最终时间测量精度达到10ps以内。
　　最后一章对论文的工作进行总结，并展望下一步的研究工作。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 粒子物理实验中的电子学及其发展

1．1．1 粒子物理实验简介

1．1．2 粒子物理实验中电子学的特点

1．1．3 粒子物理实验中电子学的发展趋势

1．2 粒子物理实验中波形数字化技术的应用与发展

1．2．1 基于高速ADC的波形数字化技术的应用与发展

1．2．2 基于SCA的波形数字化技术的应用与发展

1．3 论文研究内容

参考文献

第二章 基于SCA的波形数字化技术调研

2．1 SCA ASIC工作原理

2．2 典型SCA ASIC芯片介绍

2．2．1 ATWD

2．2．2 SAM

2．2．3 DRS4

2．2．4 PSEC4

2．2．5 SAMPIC

2．2．6 几种典型SCA芯片的性能比较

2．2．7 SCA芯片的发展趋势

2．3 SCA芯片在高精度时间测量领域的应用探索

2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于SCA的波形数字化AS I C方案设计

3．1 设计需求分析

3．1．1 指标参数分析

3．1．2 技术实现难点

3．2 芯片方案设计

3．2．1 高模拟带宽的实现方案

3．2．2 高精度实现方案

3．2．3 高速采样实现方案

3．2．4 片内量化和读出实现方案

3．2．5 ASIC整体结构

3．3 本章小结

参考文献

第四章 基于SCA的波形数字化原型ASIC电路设计

4．1 采样保持模块设计

4．1．1 采样电路的速度

4．1．2 采样电路的精度

4．1．3 带宽分析

4．1．4 开关电容电路设计

4．2 单元读出耦合模块设计

4．2．1 采用buffer的设计

4．2．2 去除buffer的设计

4．3 量化模块设计

4．3．1 比较器

4．3．2 ramp产生电路

4．3．3 格雷码计数器

4．3．4 ADC时钟产生电路

4．4 采样时钟产生模块设计

4．4．1 DLL电路实现

4．4．2 采样时钟整形电路

4．5 数据读出模块设计

4．5．1 采样停止位置编码

4．5．2 读出控制电路

4．6 芯片整体电路设计

4．7 芯片版图设计和封装

4．7．1 芯片版图设计

4．7．2 芯片封装

4．8 本章小结

参考文献

第五章 波形数字化ASIC性能评估与分析

5．1 测试系统设计

5．2 测试结果及分析

5．2．1 芯片工作情况

5．2．2 静态性能测试

5．2．3 动态性能测试

5．2．4 快脉冲测试

5．3 基于波形采样的高精度时间测量

5．3．1 采样间隔修正算法研究

5．3．2 基于波形采样的定时研究

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果