基于TOT技术的电荷测量ASIC电路研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论基于TOT技术的电荷测量ASIC电路研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：陈凯物理电子学安琪教授二。一二年四月三十日

2、

3、IIIIIIIIIIllUlY2126012UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeTheResearchofanASlCfortheChargeMeasurementbasedonTOTTechniqueAuthor’SName"KaiChenspeciality：PhysicalElectronicsSupervisor：Prof．QiAnFi

4、nishedtime：April30m，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：殛纽签字日期：尘蟛“中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进

5、行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。回公开口保密(——年)作者签名：荪凯签字日期：塑i211笪!!垂导师签名：堑经签字同期：丝!兰：笪：鱼摘要位于西藏羊八井的大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO，LargeHighAltitudeAirShowerObservatory)是规划中的一个大型地基宇宙线观测实验。LHAASO中的水切伦柯夫探测器阵列(WCDA，WaterCherenkovDetectorArray)是整个实验的一个重要子探测器。读出电子学系统需要完成对WCDA共3600路

6、光电倍增管(PMT,PhotomultiplierTube)的读出，并同时测量PMT信号的电荷和时间信息。LHAASO的WCDA测量范围为单光电子到4000光电子，其中单光电子电荷测量精度要求好于50％，4000光电子时要求测量精度好于5％。本论文针对LHAASO的要求，研究并设计分布式架构中的前端电荷时间转换芯片，实现对4000倍动态范围电荷的测量。第一章简单介绍宇宙线的探测历史及主要的探测技术，并介绍了基于地面观测和空间探测的一些国际上的大型宇宙线探测实验装置。然后特别介绍了本论文针对的LHAASO实验以及其WCDA阵列。第二章结合一些典型的电荷测量芯片如SFEl6、NINO及CLCl01

7、等介绍了几种常用的电荷测量方法，并分析了各自的优缺点。最后还介绍了粒子物理实验中典型的时间数字化技术。时间数字化一方面可以用于测量信号触发时间，另一方面对于基于TOT技术的QTC芯片，可用于测量甄别器输出脉冲的宽度，从而完成电荷测量。第三章根据LHAASO的WCDA的电荷测量需求，结合几款QTC芯片如SFEl6和CLCl01的特点，制订本QTC芯片的整体设计方案。同时对电路的关键部分进行原理性的验证分析。第四章则在此基础上，介绍各主要电路模块的实现，并对各模块进行仿真分析。这些主要模块包括运放、LVDS输出驱动、甄别器及DAC等。除了这些电路基本模块，还对一些电路参数的选取进行了讨论。第五章与

8、第六章分别对四个通道进行了前、后仿真分析。分析给出了各通道的电荷测量精度曲线，并对基线涨落，电路的躁声指标等进行了讨论。第六章还介绍了本芯片的整体版图设计以及封装的相关信息。第七章介绍了针对此QTC芯片，需要完成的测试，并根据该目标设计了测试用的电路板。依靠该测试电路板以及后端基于HPTDC的时间数字化电路板，对芯片的第一通道进行一系列初步的测试，得到了精度等指标。考虑噪声和输入信号脉宽变化时，该通道满足5％测量精度的下限约6．54mV。其他几个通道基本工作正常，具体性能测试正在进行中。第八章介绍了基于输入电流对电容线性充放电方法的QTC方案，并对电流甄别器、数字控制逻辑等几个核心电路模块进行

9、了分析和讨论。本章同时给出了该方案的一些初步前仿真结果，并提出了尚需进一步解决的几个问题。在对成形放大TOT方案有了初步的测试和分析，以及对电流充放电方案有了基本的仿真后，本文第九章对这两种TOT路线给出了扼要的总结。关键字：电荷测量过闽时间(TOT)技术专用集成电路大动态范围IIABSTRACTThepl撇edLHAASO(LargeHighAltitudeAirShowerObservator