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Systems-on-Chip (SoC) for applications in High-Energy Physics

De Gaspari, Massimiliano

German Title: Systems on Chip (SoC) für Hochenergiephysik-Anwendungen

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Abstract

In view of the Time Projection Chamber for the future Linear Collider (LCTPC), a new front-end Application-Specific Integrated Circuit has been developed: the 16 channels Super-Altro Demonstrator. Given the small pad area of 1mm x 4mm, the chip is a compact integrated system, including signal preamplification/shaping, 10-bit analog-to-digital conversion and digital signal processing. Adequate design techniques were used to reduce noise coupling between analog and digital parts of the system. The bunch train structure of the linear collider is exploited by the introduction of power pulsing features in the design, which result in a significant reduction of the power consumption. The tests carried out show noise as low as 316 electrons and effectiveness of the power pulsing approach. Super-Altro can be used for studies of gaseous detector readout with classical wire chambers as well as modern GEMs and MicroMegas. This thesis also studies Analog-to-Digital Converters (ADC) suitable for integration in High-Energy Physics front-end systems. Simulations show the feasibility of a 12-bit 100MHz pipeline ADC in a 130nm CMOS technology.

Translation of abstract (German)

In Hinblick auf die Time Projection Chamber (TPC) für den geplanten Linear Collider (LCTPC) wurde ein neuer, anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis für das Front-End entwickelt: der 16-Kanal Super-Altro Prototyp. Aufgrund der geringen verfügbaren Fläche von 1mm x 4mm pro Kanal wurde der Chip als kompaktes integriertes System realisiert, welches der Vorverstärkung der analogen Eingangssignale, der Impulsformung, der 10-bit Analog-Digital-Wandlung, sowie der digitalen Signalverarbeitung dient. Geeignete Designtechniken wurden verwendet, um die Kopplung zwischen Analog- und Digitalteilen des Systems zu verringern. Der Schaltkreis ist für das Bunch-Train-Regime des Linear Colliders optimiert; die Stromaufnahme ist durch die Verwendung von Power-Pulsing stark reduziert worden. Die durchgeführten Tests zeigen ein Rauschen von lediglich 316 Elektronen, sowie die Funktionalität der Power-Pulsing Technik. Der Super-Altro kann sowohl für das Auslesen von Gasdetektoren mit Drahtkammern, als auch mit GEMs oder MicroMegas, eingesetzt werden. Diese Dissertation behandelt unter anderem auch Analog-Digital-Wandler (ADC), geeignet für Front-End Systeme in der Hochenergiephysik. Simulationen zeigen die Realisierbarkeit von 12-bit 100MHz Pipeline ADCs, in einer 130nm CMOS Technologie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Stachel, Prof. Dr. Johanna
Date of thesis defense: 25 July 2012
Date Deposited: 08 Oct 2012 08:42
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Super-Altro , S-Altro
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