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Development of radiation hard readout electronics for LHCb

Sexauer, Edgar

German Title: Entwicklung strahlenharter Ausleseelektronik für LHCb

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Abstract

Das Experiment LHCB am CERN ist zur Zeit in der Entwicklungsphase und hat zum Ziel, CP-Verletzung im System der B-Mesonen mit sehr hoher Präzision zu messen. In dem Experiment wird ein mit Silizium-Mikrostreifenzähler n ausgestatteter Vertex-Detektor eingesetzt. Ein Mikrochip, der für die Auslese dieser Detektorkomponente geignet ist, wurde in einer Arbeitsgruppe im ASIC-Labor Heidelberg entwickelt. Dieser Auslesechip Beetle-1.0 besteht aus 128 analogen Eingangsstufen mit einem ladungsempfindlichen Vorverstärker, einem Pulsformer und einer Treiberstufe. Das analoge Signal wird auf einen Komparator geführt, von dem ein schnelles Triggersignal abgeleitet werden kann. Der darauf folgende Ringspeicher (aufgebaut als Matrix von Gate-Kapazitäten) kann entweder zur Speicherung des analogen Signals der Eingangsstufe oder zur Speicherung des digitalen Ausgangs des Komparators benutzt werden. Ein externes Triggersignal markiert Ereignisse, die ausgelesen werden sollen, wobei die zugehörige Stelle in dem Ringspeicher in einem Derandomizer abgelegt wird. Markierte Ereignisse werden mittels einem rücksetzbaren ladungsempfindlichen Verstärker ausgelesen. Ein analoger Multiplexer, der die Signale abhängig vom Aulesemodus im Verhältniss 32:1, 64:1 oder 128:1 seriell weitergibt, schliest sich daran an. Durch einen Stromtreiber werden die Daten von dem dem Chip ausgegeben. Beim Einsatz des Beetle im Vertexdetektor von LHCb muss er einer Strahlendosis von insgesamt 10 MRad standhalten. Dies wurde durch den Einsatz einer CMOS-Technology mit Strukturbreiten von 0,25um sowie geschlossener Geometrie von nMOS-Transistoren erreicht. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden wesentliche Komponenten der analogen Auslesekette des Beetle-1.0 entworfen und getestet. Dazu wurde auf Ergebnisse von intensiven Messungen an dem Auslesechip HELIX128 zurückgegriffen. Ebenso wurden Teile des SCTA Auslesechips modifiziert, um diesen für das Experiment LHCb einsetzen zu können.

Translation of abstract (English)

The experiment LHCb is under development at CERN and aims to measure CP-violation in the B-Meson system at very high precision. The experiment makes use of a vertex detector that is equipped with silicon microstrip detectors. A chip suitable for the readout of this detector has been developed in a working group at the ASIC-laboratory Heidelberg. This readout chip 'Beetle-1.0' contains 128 analog input stages of a charge sensitive preamplifier, a pulse shaper and a buffer. The analog signal is fed into a comparator, from which a fast trigger signal can be derived. The following pipeline, realized as an array of gate capacitances, can be used to either store the analog output of the input amplifiers or to store the digital comparator output. External trigger signals mark events that have to be read out and the according pipeline location is stored in a derandomizing buffer. Pending events are read out from the pipeline via a charge-sensitive, resetable amplifier and an analog multiplexer, which serializes the signals with a factor of 32:1, 64:1 or 128:1, depending on the readout mode. The data are driven off-chip via a current buffer. For the use of the Beetle in the vertex detector of LHCb, the chip has to withstand a radiation dose of about 10 MRad. This has been achieved by the use of a deep submicron CMOS with a feature size of 0.25um and an enclosed layout geometry of nMOS transistors. In the context of this thesis, essential components of the analog readout chain of the Beetle-1.0 have been developed. For that, results of intensive measurements with the HELIX128 readout chip have been used. Also, parts of the SCTA readout chip have been modified to make it usable for the LHCb experiment.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Knöpfle, Prof. Karl-Tasso
Date of thesis defense: 10 January 2001
Date Deposited: 24 Jan 2001 00:00
Date: 2001
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: CMOS, Siliciumdetektor, Ausleseverfahren <Sensortechnik>, Strahlenhärten, Strahlenschaden
Uncontrolled Keywords: Strahlenhärte , Strahlenschäden , Ausleseelektronik , Auslesechipsilicon detector , radiation damage , readout chip , CMOS , radiation hardness
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