Analog Integrated CMOS Circuits for the Readout and Powering of Highly Segmented Detectors in Particle Physics Applications

摘要

Halbleiterdetektoren sind etablierte Instrumente der Teilchenphysik, die zur Spurrekonstruktionaber auch für spektroskopische und kalorimetrische Messungen verwendet werden.Streifen- und Pixeldetektoren verfügen über eine ein- bzw. zweidimensionale Segmentierung,durch die eine entsprechende Ortsauflösung erzielt wird. Die einzelnen Sensorsegmentebestehen aus zu einander isolierten Dioden, die während des Betriebes inSperrrichtung geschaltet und von allen freien Ladungsträgern vollständig depletiert sind.Einfallende Strahlung ionisiert Ladung im Sensormaterial, die durch das anliegende elektrischeFeld an den Sensorelektroden ausgelesen werden kann. Hierzu werden hochintegrierteMehrkanal-Auslesechips verwendet, die meist in CMOS Technologie implementiertwerden. Ein typischer analoger Auslesekanal besteht aus einem ladungsempfindlichenVerstärker, einem Bandpass zur Bandbreitenbegrenzung und einem Komparator um dasAusgangssignal mit einer globalen Schwelle zu vergleichen. Digitale Logik wird verwendet,um die Anzahl der Treffer zu zählen oder die einzelnen Treffer mit einer Zeitmarkezu versehen.Mit zunehmender Anzahl der Auslesekanäle wird die Handhabung der anfallendenDatenmenge schwieriger und die Spannungsversorgung ineffizienter. Zur Implementierungvon seriellen Hochgeschwindigkeitsübertragungsstecken werden die Auslesechips meist mitLVDS Sende- und Empfangsschaltungen ausgestattet. Ein Konzept für die Verbesserungder Versorgungseffizienz ist Serial Powering. Bei diesem Versorgungsschema wird eineKette aus in Reihe geschalteter Verbraucher durch eine Konstantstromquelle versorgt.Dadurch verringert sich der Stromfluss auf den Versorgungsleitungen, was zu einer Reduzierungvon Spannungsabfällen auf den Versorgungsleitung führt. Shunt-Regulatorenerzeugen eine lokale Versorgungsspannung für jeden Verbraucher.Die im Rahmen dieser Arbeit geleistete Entwicklungsarbeit, ist eingebettet in mehrereProjekte mit teilchenphysikalischem Hintergrund. Für ein Compton-Polarimeter mit hoherPräzision wurde ein Siliziumstreifendetektor Auslesechip entwickelt, um einzelne einfallendePhotonen zählen zu können. Der FE-I4 Hybrid-Pixelauslesechip wurde für dieanstehenden IBL und super-LHC Upgrades des am LHC installierten ATLAS Pixeldetektorsentworfen. Der Chip verfügt über eine Auslesearchitektur, die die höheren Raten, dienach den Upgrades zu erwarten sind, mit nur geringen Datenverlusten verarbeiten kann.Die Chipgröße wurde bis an die Technologiegrenze skaliert, um Material und Kosten zusparen. Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit der differentiellen Sensorauslese bei derdie Signalladung gleichzeitig sowohl an der p als auch an der n Elektrode ausgelesen wird.Die differentielle Auslese führt zu einem höheren Signal-zu-Rauschabstand und ist wenigeranfällig auf Übersprecheffekte.