论文部分内容阅读
在粒子物理实验中,探测器首先将粒子携带的物理信息转化为电信号,再由读出电子学系统处理,测量信号的时间、电荷等信息。其中电荷测量占有重要地位,其测量结果对应粒子与探测器相互作用过程中的能量损失,因而对测量能谱、识别成分等有重要作用。成形放大结合数字寻峰方法是电荷测量中的一种常用技术,可以实现高测量精度和线性,因此得到广泛的研究和使用。此方案中输入信号经放大、成形后通过模拟-数字变换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)进行数字化,再配合数字寻峰逻辑实现电荷测量。ADC电路是其中的核心组成部分,其性能指标直接影响整个系统的测量精度。在大型物理试验中,其海量的通道数对电子学设计提出了高集成度、低功耗的要求,因此基于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技术进行电路集成有重要意义。因为逐次逼进型ADC(Successive Approximation Register ADC,SAR ADC)有低功耗的优点,且可以经过优化设计满足采样率和分辨率的需求,所以成为了物理实验读出电子学研究的一个热点。本论文研究工作集中在SARADC的优化设计上,实际结合国家重大基础设施中关键探测器读出需求,进行了 ASIC的设计和测试。其应用背景为大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)中的水切仑科夫辐射探测器阵列(Water Cherenkov Detector Array,WCDA),在总面积约8万平方米的范围内,电子学系统需要对3120个光电倍增管(Photo-Multiplier Tube,PMT)进行大动态范围(1~4000光电子)高精度时间和电荷测量。针对此应用需求,本论文工作中基于180 nm CMOS工艺研究了ADC ASIC的优化设计方法,着重于其性能的优化与提升。文章组织结构如下:第一章先介绍了电荷测量方法,然后介绍了 LHAASO WCDA的研究背景及其电子学整体设计、指标要求,最后明确了此应用对于ADC ASIC的性能要求。第二章介绍了 ADC基本概念、一些有代表性的ADC结构的工作过程和性能特点以及性能指标,并且调研了粒子物理实验中使用的ADC ASIC。这为本论文的优化设计工作提供了参考。第三章介绍了 SAR ADC优化设计方案。首先根据设计指标分析了 SAR ADC性能提升的瓶颈,阐述了影响ADC性能的最主要因素即ASIC中电容型数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)的非线性,来源于电容失配。然后对电容失配问题进行了调研分析,并提出了优化设计方案。第四章介绍了验证ASIC电路设计。详细陈述了 SAR ADC的关键电路模块以及多方案下多通道电路的设计方案。第五章介绍了验证ASIC的系统测试结果。基于IEEE的ADC测试标准建立了测试系统并进行了一系列测试。结果表明,通过电路的优化设计,在基带上限输入信号频率下信号噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SINAD)指标提升了约4 dB;采样率31.25 Msps工作条件下,输入信号频率在整个基带范围内时,有效位都好于9 bits。最后一章中总结了论文工作,并展望了下一步工作规划。