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A CMOS Mixed-Signal Readout Chip for the Microstrip Detectors of HERA-B

Fallot-Burghardt, Wolfgang

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Abstract

Innerhalb der vorliegenden Doktorarbeit wurden die wesentlichen analogen Teile des CMOS Mixed-Signal Chips HELIX128S-2 entworfen und getestet; dieser Chip dient zur Auslese von Ladungssignalen aus Siliziumstreifen- und Gas-Mikrostreifen-Detektoren, die beim Nachweis von Elementarteilchen beim HERA-B Experiment (DESY, Hamburg) zum Einsatz kommen. HELIX128S-2 integriert 128 Verstärkerkanäle, bestehend aus einem schnellen (Anstiegszeit ca. 50 ns), rauscharmen (ENC = 474 e + 35 e/pF x Cin) Ladungsverstärker, der die Vorverstärkung der Strom/Ladungssignale (typisch 4 fC) übernimmt; die langsam abfallenden Vorverstärkersignale werden von einem nachfolgenden Pulsformer in zeitlimitierte Pulse (Abfallzeit <= 100 ns) umgewandelt, die anschließend mit 10 MHz Abtastrate in einer Kapazitätsmatrix zwischengespeichert werden. Auf ein Level 1 Triggersignal hin, das mit 10 us Verzögerung erfolgt, werden die Signalwerte durch einen weiteren Ladungsverstärker aus der Matrix ausgelesen, von einem 128 zu 1 Multiplexer auf eine Leitung gemultiplext und von einem schnellen Stromtreiber als Analogwerte ausgegeben (max. 40 MHz); hierbei erfolgt die Auslese der Matrixwerte totzeitfrei, d. h. ohne den Schreibvorgang zu stören. Zum schnellen Nachweis eines getroffenen Streifens generiert ein hinter dem Pulsformer angebrachter, kapazitiv gekoppelter Komparator (Schwelle gemeinsam für alle Komparatoren) ein digitales Signal, das zu vieren verodert als Open-Drain Signal zur Verfügung gestellt wird. Die Breite der Verstärkerkanäle darf wegen des Siliziumstreifenabstandes 50 um nicht überschreiten und beträgt bei dem vorgestellten Chip 42.2 um; die Größe des Chips beträgt 14.39 mm x 6.15 mm. Durch konsequenten Einsatz von Stromspiegeln mit konstantem Referenzstrom wird eine moderate Strahlenhärte ( <= 200 krad) erreicht. Der entwickelte Chip erfüllt die vorgegebenen Spezifikationen; neben dem HERA-B-Experiment wird er auch beim ZEUS-Experiment (DESY) eingesetzt werden.

Translation of abstract (English)

In the context of this dissertation the major part of the analog circuitry of the CMOS mixed-signal chip HELIX128S-2 has been developed and tested; it serves for the readout of charge signals from silicon-strip and microstrip gas-chamber detectors to be installed for the detection of elementary particles at the HERA-B experiment (DESY, Hamburg). HELIX128S-2 integrates 128 amplifier channels, consisting of a fast (rise time approx. 50 ns), low-noise (ENC = 474 electrons + 35 electrons/pF x Cin) charge amplifier which integrates the current/charge-signals (typically 4 fC); the slowly decaying preamplifier output signals are converted by a subsequent pulse shaper into time-limited pulses (decay time <= 100 ns), which are stored at 10 MHz sucessively in a capacitor array ("pipeline"). In the event of a level one trigger which arrives with a delay of 10 us, the signal values are read out from the pipeline by a resetable charge amplifier; this happens without introducing dead time, i. e. the write-operation is not affected. The signals from different channels are multiplexed by a 128 to 1 multiplexer onto one bus line and are put out as analog values by a fast current buffer (max. 40 MHz). Additionally, each channel is equipped with an AC-coupled comparator behind the preamplifier/shaper. All comparators share a common threshold, the output of four neighbouring comparators being ORed and brought off-chip as open drain signals. The width of an amplifier channel may not exceed 50 um due to the silicon strip pitch and amounts to 42.2 um; the chip's overall size is 14.39 mm x 6.15 mm. By the use of current mirrors with constant reference current a moderate radiation hardness is obtained (<= 200 krad). The chip developed fulfills the given specifications of HERA-B; it will also be employed by the ZEUS-experiment (DESY).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Knöpfle, Prof. Dr. Karl-Tasso
Date of thesis defense: 24. June 1998
Date Deposited: 22. Sep 1999 00:00
Date: 1998
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Mikrostreifen-Gasdetektor, HERA <Teilchenbeschleuniger>, VLSI, CP-Parität, ZEUS <Teilchendetektor>
Uncontrolled Keywords: HELIX128S-2 , Siliziumstreifen-Detektoren , CMOS Mixed-Signal Readout Chip , HERA-B , ASICHELIX128S-2 , microstrip gas-chamber detectors , CMOS mixed-signal readout chip , HERA-B , ASIC
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