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Development, Optimisation and Characterisation of a Radiation Hard Mixed-Signal Readout Chip for LHCb

Löchner, Sven

German Title: Entwicklung, Optimierung und Charakterisierung eines strahlenharten Mixed-Signal Auslesechips für LHCb

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Abstract

The Beetle chip is a radiation hard, 128 channel pipelined readout chip for silicon strip detectors. The front-end consists of a charge-sensitive preamplifier followed by a CR-RC pulse shaper. The analogue pipeline memory is implemented as a switched capacitor array with a maximum latency of 4us. The 128 analogue channels are multiplexed and transmitted off chip in 900ns via four current output drivers. Beside the pipelined readout path, the Beetle provides a fast discrimination of the front-end pulse. Within this doctoral thesis parts of the radiation hard Beetle readout chip for the LHCb experiment have been developed. The overall chip performances like noise, power consumption, input charge rates have been optimised as well as the elimination of failures so that the Beetle fulfils the requirements of the experiment. Furthermore the characterisation of the chip was a major part of this thesis. Beside the detailed measurement of the chip performance, several irradiation tests and an Single Event Upset (SEU) test were performed. A long-time measurement with a silicon strip detector was also part of this work as well as the development and test of a first mass production test setup. The Beetle chip showed no functional failure and only slight degradation in the analogue performance under irradiation of up to 130Mrad total dose. The Beetle chip fulfils all requirements of the vertex detector (VELO), the trigger tracker (TT) and the inner tracker (IT) and is ready for the start of LHCb end of 2007.

Translation of abstract (German)

Der Beetle Chip ist ein strahlenharter, 128-Kanal-Auslesechip für Silizium-Streifen-Detektoren. Die analoge Eingangsstufe besteht aus einem ladungsempfindlichen Vorverstärker, dem ein CR-RC Pulsformer folgt. Der analoge Speicher besteht aus einer Kapazitätsmatrix und gewährleistet eine Latenzzeit von maximal 4us. Die Daten der 128 analogen Kanäle werden zusammengefasst und über vier Stromtreiber in 900ns vom Chip übertragen. Neben dem Signalpfad, der durch den analogen Speicher führt, stellt der Beetle Chip eine schnelle Komparatorentscheidung des geformten Eingangspulses bereit. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden Teile des strahlenharten Beetle Auslesechips für das LHCb Experiment entwickelt. Die Gesamtleistungsmerkmale des Chips wie Rauschen, Stromverbrauch, Eingangsladungsrate wurden verbessert wie auch die Beseitigung von Fehlern, so dass der Beetle alle Anforderungen des Experiments erfüllt. Ein weiterer Hauptbestandteil dieser Arbeit war die Charakterisierung des Chips. Neben den ausführlichen Messungen der Leistungsmerkmale des Chips wurden mehrere Bestrahlungstests und ein Single Event Upset-Test durchgeführt. Eine Langzeitmessung mit einem Silizium-Streifen-Detektor ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit wie auch die Entwicklung und der Test eines Messaufbaus zur Durchführung erster Serientests. Der Beetle Chip zeigte kein funktionales Versagen und nur leichte Verschlechterungen im analogen Verhalten nach einer Bestrahlung bis 130Mrad. Der Beetle Chip erfüllt alle Anforderungen des Vertex-Detektors (VELO), des Trigger-Spurdetektors (TT) und des Inneren Spurdetektors (IT) und ist somit bereit für den Start von LHCb Ende 2007.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Knöpfle, Prof. Dr. Karl-Tasso
Date of thesis defense: 26 July 2006
Date Deposited: 02 Aug 2006 07:41
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: VLSI, CMOS-Schaltung, Spurdetektor, Strahlenschaden, Kundenspezifische Schaltung, LHC
Uncontrolled Keywords: LHCb , Beetle , Strahlenhärte , Siliziumstreifendetektor , Single Event UpsetLHCb , Beetle , Radiation Hardness , Silicon Strip Detector , Single Event Upset
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