中科院高能物理研究所：四通道低噪声GEM探测器前端读出ASIC设计（吕继方）

四通道低噪声GEM探测器前端 读出ASIC设计 吕继方 中科院高能物理研究所

吕继方 中科院高能物理研究所 四通道低噪声GEM探测器前端 读出ASIC设计

该电路主要结构及功能 ■电荷灵敏前置放大器 使输出信号幅度正比于输入到放大器的电荷量,具有良 好的低噪声性能。 ■极零相消电路 通过产生一个零点。使这个零点和电荷前放产生的极点 相消,使时间常数变小,从而使信号不能产生堆积。 ■滤波整形电路

该电路主要结构及功能 ◼ 电荷灵敏前置放大器 使输出信号幅度正比于输入到放大器的电荷量 ，具有良 好的低噪声性能。 ◼ 极零相消电路 通过产生一个零点，使这个零点和电荷前放产生的极点 相消，使时间常数变小，从而使信号不能产生堆积。 ◼ 滤波整形电路

偏置 电路 极零相 消电路 电荷灵敏前 隔离 四级滤波 置放大器 级 整形电

偏置 电路 电荷灵敏前 置放大器 极零相 消电路 隔离 级 四级滤波 整形电路

偏置电路 Bandgap结构 温漂较小,稳定性好

偏置电路 Bandgap结构： 温漂较小，稳定性好

电荷灵敏前置放大器 采用一级折叠共源共栅结构 对噪声要求较高,经分析得出 噪声主要由输入管决定 1/f噪声 Ciopt(1/f=Ca+cf 白噪声 Ciopt(ct)=(Cd+C/3 综合考虎,我们取Ciop在 Cd+C和C+C0/3之间。 仿真结果为电荷灵敏前置放 大器等效输入噪声电荷为376e

电荷灵敏前置放大器 采用一级折叠共源共栅结构 对噪声要求较高，经分析得出 噪声主要由输入管决定: 1/f 噪声: Ciopt(1/f) = Cd+Cf 白噪声： Ciopt(ct) = (Cd+Cf)/3 综合考虑，我们取Ciopt在 Cd+Cf和(Cd+Cf)/3之间。 仿真结果为电荷灵敏前置放 大器等效输入噪声电荷为376e

极零相消 信号经过极零相消后的 传递函数为 R vn(s)=va(s)·vn2(s) s+1/r +1/zrS+1/ R1 其中 TI=RC, RRC R1+R2 在设计电路时,选择7=是有:(=Qn C(+1/z2) 经拉氏变换得到输岀电压的时域波形为 -:(t

极零相消 信号经过极零相消后的 传递函数为： 2 1 1/ 1/ 1/ 1 ( ) ( ) ( )    + + • + = = • s s C s Q v s v s v s F f D o csa pzc f RF CF R R R R C RC = +  = , = , 1 2 1 2 1 1 2 其中： 在设计电路时，选择 1  =  f 于是有： ( 1/ ) ( ) 2 +  = C s Q v s F D o 经拉氏变换得到输出电压的时域波形为： ( ) ( ) 2 / e u t C Q v t t F D o −  =

滤波整形电路 整形的时间 常数为150ns pmoD_3p rm。3ps

滤波整形电路 整形的时间 常数为150ns

滤波整形电路 采用双端差分输入结构,可以更好的稳定工作点。如 果采用单端输入为了使自身的放大器产生的噪声较小, 需要有工作点的限制。从而要在各级之间加入源跟随 器作为电平位移,但这样的话,由于跟随器不在任何 反馈环中,故电路的工作点不能稳定。所以综合考虑 采用双端输入结构的放大器

滤波整形电路 ◼ 采用双端差分输入结构，可以更好的稳定工作点。如 果采用单端输入为了使自身的放大器产生的噪声较小， 需要有工作点的限制，从而要在各级之间加入源跟随 器作为电平位移，但这样的话，由于跟随器不在任何 反馈环中，故电路的工作点不能稳定。所以综合考虑 采用双端输入结构的放大器

仿真波形 输入 Ev /net5; tran (v) Eev /net 1 667 信号 pzcout; tran (V) av /out; tran (V) 电荷灵敏前 放输出波形 1.67- 1:8 1.675 1.67 极零相消 1.665 输出波形 最终输出准 斯波形

仿真波形 输入 信号 电荷灵敏前 放输出波形 极零相消 输出波形 最终输出准 高斯波形

版图设计 圖豳豳豳隱 在版图设计中,要考虑噪声 问题和对称的问题。对于噪 翻声,我们可以尽可能减少信 号走线的长度并适当增加走 器线的宽度,同时可以对敏 信号线进行屏蔽,并尽可能 在每个模块外面画上 guardring。对于对称一般 采用中心对称结构,在这个 电路中主要有下面几个地方 翻要特别注意对称:差分输 入的放大器结构,偏置电路 中的电阻匹配和滤波整形电 圖圖圖圖 路中的电阻匹配

版图设计 在版图设计中，要考虑噪声 问题和对称的问题。对于噪 声，我们可以尽可能减少信 号走线的长度并适当增加走 线的宽度，同时可以对敏感 信号线进行屏蔽，并尽可能 在每个模块外面画上 guardring 。对于对称一般 采用中心对称结构，在这个 电路中主要有下面几个地方 需要特别注意对称：差分输 入的放大器结构，偏置电路 中的电阻匹配和滤波整形电 路中的电阻匹配