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1、基于APV25的GEM探测器读出电子学系统设计与测试李诚 刘树彬 安琪核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学近代物理系2021-7-23目录工程背景设计方案测试方案与结果总结与展望工程背景SoLID 实验GEM探测器GEM探测器信号设计方案测试方案与结果总结与展望SoLID 实验SoLID(Solenoidal Large Intensity Device)实验全方位角探测器，用于两个实验：Semi-Inclusive Deep-Inelastic Scattering (SIDIS)Parity Violation Deep Inelastic Scattering (PVDIS)

2、径迹探测器系统要求位置分辨率高：70um高本底计数率：1MHz/cm2大面积：从40*150到80*300cm2GEM探测器性能位置分辨率：70um电荷重心法本底计数率：MHz/mm2面积可扩展用GEM探测器作为径迹探测器C.Altunbas et al.NIMA 490(2002) 177GEM探测器SoLID实验中的GEM探测器原型模块共6层GEM总有效面积：18m2总通道数目：161k45 cm99.5 cm22 cmSIDISPVDISSoLID Coll.MeetingHall A,Jlab 11/09/2021GEM探测器信号增益按照每层放大20倍计算20*20*20 = 8000

3、读出条收集电荷量如果原初电离电荷32e，最终生成电子256ke=41fC电子分布=300400um，*6=1.82.4mm读出条为600um pitch，电子会分布到34根读出条上，按照15：35：35：15分布，每个读出条电荷量为6fC:14fC:14fC:6fCGEM探测器信号漂移时间雪崩区：10cm/us3.5keV/cm，时间10ns漂移区：9cm/us2.5keV/cm，时间33ns实际波形Alfonsi et al.NIM A 518(2004)M.Ziegler, Development of a triple GEM Detector for Particle Tracking

4、,2005, IEEE NSS Conf. RecordVV51前放成形时间0.5ns工程背景设计方案读出系统架构APV25读出电子学方案设计FPGA逻辑设计上位机软件设计测试方案与结果总结与展望读出系统GEM探测器信号处理GEM探测器获取带电粒子在每层GEM的击中位置信息，并通过电荷测量电荷重心法提高位置分辨能力读出电子学特点高密度读出高计数率设计输入信号幅度小信号小于20fC成形时间信号上升时间10ns电荷测量读出系统读出方式传统模拟寻峰电荷测量电路电路复杂、功耗高、集成度低ASIC+ADC降低复杂度低功耗高集成度用APV25为本设计ASIC动态范围20fC成形时间50nsNameExp.

5、DetectorChlShaper (ns)NoiseRange (fC)P/ch (mW)Rad hardAPV25CMSSi strip12850270+38e/pF202.7108.1 mm7.1mmpipeline128x192128 x preamp/shaperAPSP + 128:1 MUXpipe logicbias gen.CALFIFOcontrollogicAPV25根本参数最初由CERN为CMS实验硅微条探测器读出设计，0.25us CMOS工艺制造128通道输入，单通道输出成形时间50ns动态范围20fC功耗低，具有抗辐照能力192电容存储深度40M时钟采样及读出特点

6、触发与时钟同步可选反相器，能够测量负极性信号内部标定电路可选APSP(Analogue pulse shape processor)电路，能够进行反卷积运算，用于高计数率场合APV25读出电子学方案背板架构具有抗辐照、高集成度特点简单易用、适用于小系统GEM FEC 4.0 MPD DAQ75 mm49.5 mmPassive backplane(optional)2D readoutUp to 40mtwisted,shieldedcopper cable(HDMI)tested读出电子学方案SRS架构可以根据实际系统规模的增减添加对应的读出单元模块用于大型实验、复杂本钱高读出电子学方案选择

7、采用背板架构背板最多插入8块APV子板读出板能够处理2块背板APV25前端板APV25前端板APV25采样wire bonding封装保护二极管、供电、背板接头APV25背板APV25背板Molex接头与APV25前端板相接IDC连接器与读出板相接APV25子板控制、读出、供电读出板读出板功能16块APV25信号数字化2048个GEM读出通道数据预处理APV25的I2C配置APV25触发及时钟PCI数据传输芯片选型前放AD8139将APV25信号进行放大ADC使用8通道12位40M采样率AD9637FPGA使用CycloneIII系列EP3C80F484FPGA逻辑设计FPGA逻辑功能APV2

8、5数据处理传输APV25状态控制触发及时钟控制读出板控制多种数据处理模式示波器模式帧识别，数据重排模式基线消除模式数据格式自定义数据格式，方便进行系统扩展上位机软件设计特点MFC语言进行编写PCI数据读取功能数据读取指令发送单指令发送多指令发送状态实时显示采样波形显示工程背景设计方案测试方案与结果测试方案APV25波形测试电荷测量噪声测试电荷测量误差系统评估总结与展望测试方案测试信号源内部标定使用APV25自带标定电路外部标定使用实验室自制电荷板测试内容APV25成形波形测试APV25存放器配置电荷测量噪声测试系统评估测试方案测试实物图参加转接板电荷源信号需要SMA连接器输出信号再通过柔性板连

9、接到APV25前端板电荷板电荷板APV25需要输入电荷信号，使用实验室电荷发生板产生电荷信号通过USB程控输出电荷量祁宾祥等.基于USB接口的多通道准高斯型脉冲信号发生器设计.?核电子学与探测技术?2021年 第10期 1182-1186页 共5页APV25波形测试波形采集APV25采样间隔25ns，成形时间50nsCMS实验中信号与时钟同步，调整时钟延迟，准确采集成形波形峰值L.L.Jones et al, The APV25 Deep Submicron Readout Chip for CMS Detectors, Proc. of the 5th Workshop on Electro

10、nics for LHC Experiments, CERN/LHCC/1999/009, 162-166 APV25波形测试波形拟合如果信号随机，采样时间随机性带来误差利用屡次连续采样点进行准高斯函数拟合，准确计算出峰值内部标定波形采集使用APV25内部标定电路，调节输入延迟，拼接采样点，得到密集采样点计算相关系数：r1=0.9939r2=0.9661屡次采样拼接单次采样波形测量改变APV25存放器ISHA (Shaper input FET current bias)VFS (Shaper feedback voltage bias)MUXGAIN (Sets gain of multip

11、lexer)影响拟合效果ISHA设置为80、VFS设置为60，拟合效果最好改变ISHA改变MUXGAIN不同MUXGAIN下幅值改变VFS波形测量反卷积模式原理在APSP工作下，连续采三个点进行不同权重加权，相当于模拟三阶FIR滤波可以25ns达峰，减少尾堆积用于高计数率场合噪声会更大、波形更窄改变ISHA改变VFS改变MUXGAIN电荷测量内部标定测量方法改变ICAL存放器，改变输入电荷量测量结果动态范围约20fC，满足探测器需求线性工作区为13fC拟合幅度100ADC值相当于输入电荷量0.74fC拟合置信度r：0.9995均方根误差RMSE：0.08线性工作区之外可以进行标定电荷测量外部标

12、定测量方法改变外部电荷板配置，改变输入电荷量外部电荷源标定引入外部噪声信号与trigger不同步拟合置信度r：0.9439电荷测量输入电荷量无法准确计算，只能验证线性线性工作区域比内部小噪声测试电路噪声分析测试方法大量测试无信号输入，求结果标准差测试结果接头噪声小带双层地平面柔性板连接计算分析不同模块奉献噪声量噪声源ADC码噪声e数字处理电路1.108354.9APV驱动电路0.13466.7APV模拟处理电路7.0954351.4APV标定电路0.13726.8接头0.197449.8接头加上转接板0.047542.4SMA引线0.248612.3电荷板0.0221.1APV25噪声270+

13、38e/pF根据此公式计算，APV25输入电容2.3pFAPV25芯片+读出系统总噪声为413eSorin测得其APV25读出系统总噪声356e比他们测得噪声略高，可能跟APV板及读出板有关，系统噪声可以进一步改进提高Sorin Martoiu, First Data with the APV25 Hybrid, 5th RD51 Collaboration MeetingAPV25基线消除APV25基线消除APV25不同通道基线不一致基线消除方法没有信号下FPGA屡次采样求平均值作为待消除基线采样值减去FPGA存储的基线消除效果计算所有128通道基线RMS消除前24.45 ADC码消除后0.

14、76 ADC码电荷测量误差内部标定测量方法在相同标定配置下输入固定信号，反复测量，求标准差电荷测量相对误差0.49%，等效噪声为312e电荷测量等效噪声ENC比采样点等效噪声ENC噪声低外部标定测量方法外部提供相同电荷输入，反复测量，求标准差能量测量相对误差1.0%，等效噪声624e外部噪声比内部标定噪声大参数平均值标准差相对误差内部标定幅度1621.76.30.49%外部标定幅度1251.712.51.0%拟合算法评估拟合算法评估电荷测量精确无拟合需要取峰值附近采样点作为参考值内部标定，采样点相对误差为0.51%，拟合相对误差为0.49%，提高4%外部标定，采样点相对误差为1.4%，拟合相对

15、误差为1.0%，提高28%求出时间信息，可进行时间粗测量内部标定情况下，时间t0测量相对精度为1.16%，相当于362ps参数平均值标准差相对误差内部标定采样幅度1559.98.00.51%外部标定采样幅度1237.817.31.4%内部标定262.41.90.72%外部标定391.129.67.6%内部标定t0328.03.81.16%外部标定t0210.835.316.7%系统评估APV25读出系统优点通道数目多，集成度高，噪声低，可扩展性强成形时间短，适合高计数率应用场合实测能量分辨率能到达1%，用于电荷重心法提高位置分辨精度能够进行粗时间测量缺点动态范围20fC，适应于局部GEM探测器触发需要与时钟同步，信号不同步后端数