硅像素探测器中的高事例率高精度TDC ASIC原型电路的研究

作     者：郎子健 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵雷

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：像素探测器 TDC ASIC 

摘      要：硅像素探测器因为其良好的位置分辨能力,在加速器粒子物理实验中时常作为径迹探测器集成到最靠近束流的位置。随着像素探测器的发展,它也在其他场景（例如X光成像领域）得到了应用。针对不同场景的应用需求,像素探测器不仅仅需要具备高精度的位置分辨能力,也同时需要具备高精度的能量分辨和时间分辨。像素探测器沉积能量的测量可以采用TOT（Time-Over-Threshold）技术将能量测量转变为脉冲宽度的测量,因此高精度的时间信息获取能力是像素探测器优化的一个重要方向。本论文着眼于提高硅像素探测器的时间分辨能力,在对典型的高精度时间测量方法和现有的硅像素探测器中时间信息获取方法调研基础上,提出了能够处理硅像素探测器前端读出电子学特殊的输出信号（相邻脉冲最短的时间间隔为500 ps,短时间内最多有1 1个连续脉冲）,且具有高时间测量精度的TDC（Time-to-Digital Converter）ASIC（Application Specific Integrated Circuit）原型电路的设计方案,预期将其作为核心电路集成到像素一列的末端。此TDC采用粗细结合的测量方法,其中粗时间测量采用直接计数法,细时间测量采用TAC（Time-to-Amplitude Converter）结合 ADC（Analog-to-Digital Converter）的方法来实现。基于130 nm工艺完成了原型电路的设计,仿真结果显示该电路可以最多处理连续11个事例,相邻事例的最短时间间隔为500 ps,bin size约为2 ps,DNL（Differential Non-Linearity）好于3 ps,时间测量精度好于8 ps rms。为了未来TDC ASIC的系统测试,本论文工作中还基于FPGA（Field Programmable Gate Array）设计了多通道TDC的验证电路系统,并构建了测试平台,在此平台上完成了一个16通道FPGA TDC的验证和测试,为下一步测试工作做好了准备。