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Development and characterisation of the radiation tolerant HELIX 128-2 readout chip for the HERA-B microstrip detectors

Trunk, Ulrich

German Title: Entwicklung und Charakterisierung des strahlungstoleranten HELIX 128-2 Auslesechips für die HERA-B Mikrostreifenzähler

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Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden große Teile der Schaltung des Verstärker- und Auslesechips HELIX128-2 entwickelt. Dazu gehörten unter anderem der 'Bias Generator', eine Schaltung zur Einstellung der Ruheströme und Kontrollspannungen der Verstärkerstufen mit Digital-zu-Analog Wandlern, sowie eine serielle Schnittstelle zum Programmieren der Betriebsparameter des Chips. Des weiteren wurde eine vollständige Charakterisierung des Chips, einschließlich der Bestrahlung mit einer 137Cs-Quelle durchgeführt. Die bei den dazu notwendigen Tests und Messungen gefundenen Unzulänglichkeiten führten zu einer Weiterentwicklung des Chips in verschiedenen Revisionsstufen: 2.2, 2.3, 3.0, 3.1 und 3.1a. Die dabei eingeflossenen Modifikationen betrafen mit Ausnahme von Eingangsstufe und Multiplexer alle Schaltungsteile. Insbesondere an der Pipeline Schreib-/Lesesteuerung wurden im Rahmen dieser Arbeit Verbesserungen vorgenommen. HELIX128-2 ist eine rauscharme (ENC = 462e+35.4e/pF für einen neuen Chip, ENC = 571e+52.0e/pF nach 3.9kGy) VLSI-Schaltung zur Auslese von 128 Kanälen eines Silizium-Streifenzählers oder einer MSGC. Die Architektur implementiert neben einem analogen Auslesepfad, der dem Konzept des CERN RD20/FElix Chip folgt (Ladungsverstärker, Pulsformer, analoger Zwischenspeicher und serielle Auslese der Kanäle getriggerter Daten) auch über einen unverzögerten binären Datenpfad. Er ist für Triggeranwendungen gedacht und über der Eingangsstufe folgende Komparatoren realisiert, deren Signale in Gruppen von vier Kanälen zusammengefaßt werden. Die vorliegende Arbeit gliedert sich daher in zwei Teile: Der erste Teil ist die Beschreibung des HELIX128-2 mit besonderem Schwerpunkt auf der Schaltungsimplementation. Der zweite Teil gibt die Ergebnisse der Charakterisierung des Chips wieder und beinhaltet die Chipeigenschaften unter Bestrahlung bis 3.9kGy.

Translation of abstract (English)

Within this doctoral thesis work, major parts of the preamplifier and readout chip HELIX128-2 have been developed. Among others these circuits included the 'Bias Generator' part, which uses digital-to-analogue converters to provide bias currents and control voltages for the amplifier stages of the chip, and a serial interface for programming all the chips operational parameters. Furthermore, a complete characterisation of the chip, also under irradiation with a 137Cs-source was performed. Deficiencies found during the necessary tests and measurements resulted in an improvement of the chip within several revision steps: 2.2, 2.3, 3.0, 3.1 and 3.1a. The modifications required therefore, included all parts of the circuit, except for the frontend and multiplexer. Especially the pipeline r/w logic control has been improved within this work. HELIX128-2 is a low noise VLSI readout chip for 128 channels of silicon strip detectors or MSGCs (ENC = 462e+35.4e/pF for a new chip and 571e+52.0e/pF$ at 3.9kGy). Its architecture implements besides an analogue readout path similar to the CERN RD20/FElix chip (Charge sensitive preamplifier, shaper, analogue memory and serial readout of a triggered samples' channel data) also an undelayed binary readout path. The latter is intended for trigger applications and uses individual comparators following each channel's frontend, and a combination of their data in groups of four channels. The two parts of this thesis are: A description of the HELIX128-2 with a special emphasis on the circuits' implementation. The second part presents the characterisation results of the chip including the chip performance after irradiation doses up to 3.9kGy.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Knöpfle, Prof. Dr. Karl-Tasso
Date of thesis defense: 19. December 2000
Date Deposited: 18. Apr 2001 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: CMOS, Teilchendetektor, Strahlenschaden, Ausleseverfahren <Sensortechnik>
Uncontrolled Keywords: Mikroelektronik , Silicium Streifenzähler , Mikrostreifen-Gasdetektor , Ausleseelektronik , analoge Signalverarbeitung , ASICmicrostrip detector readout , mixed-signal integrated circuit , radiation damage , radiation hardness , readout chip
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