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塑闪阵列探测器读出ASIC阈值产生与调节电路的设计.docx
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塑闪阵列探测器读出ASIC阈值产生与调节电路的设计.docx
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我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空号”,在电子能谱~0.9 TeV 处测量到了拐折,并
在~1.4 TeV 处发现了疑似的精细结构迹象,引起了国内外同行的高度关注
[1]
。然而,受限
于探测器的尺寸和结构,“悟空号”的伽马射线探测能力较弱。为了提升伽马射线的探测能
力,科学家提出要研制新一代高性能的甚大面积伽马空间望远镜 (very large area gamma-
ray space telescope, VLAST)
[2]
。VLAST 包括 4 个子探测器,分别是径迹探测器、量能器、
中子探测器和塑料闪烁体阵列探测器(the plastic scintillator array detector, PSD)
[3]
;其中大面
积 PSD 对前端读出电子学提出了多通道、大动态、高计数率的需求;同时由于卫星功耗资
源及硬件的限制,还要求前端读出电子学具有紧凑型、低功耗、低噪声及抗辐照等特性。
随着半导体探测技术的日趋成熟,高集成度的专用集成电路(application specific integrated
circuit, ASIC)芯片技术已被广泛应用于粒子物理与核物理实验的谱仪系统中;在空间探测
领域中,这一技术也逐渐成为发展趋势,ASIC 芯片的利用,极大简化了前端电子学的设
计,减少了星上功耗开销和硬件支出
[4]
。因此,需要研制一款多通道 ASIC 芯片,用于实现
大面积 PSD 对核素电荷的处理与测量。
1. ASIC 芯片设计
ASIC 芯片的整体结构图如图 1 所示,其中每通道包括低噪声前放、CR-RC 滤波成
形、峰值保持电路、甄别电路、SPI 慢控接口
[5-6]
,同时该芯片具有自触发模式,每通道输
出独立的触发信号,触发阈值由片内数模转换(DAC)模块产生
[7]
。本文主要设计了 ASIC 芯
片中阈值产生与调节电路(图 1 虚框内所示),通过 SPI 控制接口,可以为片内的甄别电路
提供可调节的触发阈值
[6]
。在物理实验中,由于不同离子的能量不同,经前放和快成形电
路处理后的输出电压也不同,该输出电压进入甄别电路和阈值电压进行比较后输出 Trigger
信号。通常,对阈值电压的设置是越低越好,在保证抑制噪声的前提下,让尽可能多的信
号过阈。但是,有时为了降低 Trigger 率,需要提供较高的阈值电压。 本设计中的阈值电
压具有较大的调节范围,约 15~960 mV,最小调节步进好于 4 mV,INL 和 DNL 均好于
0.2 LSB。
图 2 阈值产生电路的结构
下载: 全尺寸图片 幻灯片
为了简化芯片内部电路结构,减小版图面积,降低功耗,提出通过组合高、低两个 4
位 DAC 分别进行粗细阈值调节来实现一个 8 位 DAC 阈值调节的方法。在芯片内所有通道
复用一个高 4 位 DAC,实现阈值的粗调,产生阈值电压 V
thH
,调节范围约为 900 mV;每
个通道内部包含一个低 4 位 DAC,实现阈值的细调,产生阈值电压 V
thL
,调节范围约为 60
mV;每通道内甄别电路的输入阈值电压 V
th
= V
thH
+ V
thL
。通过粗调和细调相结合的方法,
实现了大动态范围、高精度的阈值电压调节。
2.1 DAC 模块设计
为了在芯片内设计并实现面积小、功耗低、转换速度较快的 DAC 模块,对比不同类
型 DAC 的优缺点
[8-10]
,并对设计要求进行衡量,本文最终选择采用电流按比例缩放型中的
二进制加权型电流舵 DAC。电流舵 DAC 首先利用有源器件 MOS 管构成加权电流源,再
通过数字输入信号选通相关电流源支路输出;数字输入信号的不同,决定开关阵列电路中
每个开关的通断,从而决定每个电流源阵列是否接入电路。随着数字输入信号的变化,流
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