基于峰值保持电路的GEM探测器前端读出ASIC设计

介绍了一种用于多层GEM探测器的低噪声前端读出ASIC芯片.针对GEM探测器输出信号特点,设计了电荷灵敏放大器、整形电路和峰值保持电路,并对其噪声、成形时间等设计指标参数进行了分析.     

四通道低噪声GEM探测器前端读出ASIC设计

介绍了一种用于多层GEM探测器的低噪声前端读出ASIC芯片.针对CEM探测器输出信号特点,设计了电荷灵敏放大器、极零相消电路和准高斯成形电路,并对其噪声指标、成形时间等设计指标等参数进行分析.     

半导体阵列微剂量探测器前端读出电路设计

根据三维Si SOI PIN像素微剂量探测器特性参数,设计了一种基于GF chrt018IC CMOS工艺的前端读出电路。该读出电路主要包括PMOS输入的电荷灵敏前前置放大器,有源整形滤波电路,电压比较器及基准电流源等,可实现对微剂量信号的放大、滤波降噪、甄别输出等功能。仿真测试表明:能量探测范围为5~500 fC,单通道功耗约为2 mW,总噪声性能为0.05 f C+1.6×10~(-3)fC/pF。     

用于阵列探测器读出的16通道前端ASIC

本文设计了用于GEM阵列探测器读出的16通道前端ASIC,每个通道包含电荷灵敏前放、CR-（RC）^2成形电路和Class-AB级的输出驱动电路。芯片采用0．6μmCMOS工艺,管芯面积为1．27mm×4．08同mm。输出脉冲的宽度可以从1μs调节到10μs,测得的等效噪声电荷分别为1413e＋20e／pF@脉宽=1μs和1402e＋11e／pF@脉宽=10μs。脉宽为1μs时,输入电荷0-70fC范围内的微分非线性好于1％。     

EAS热中子探测器阵列FADC电路设计

为解决广延大气簇射热中子探测器阵列中16台探测器的32路输出信号的信号获取与数据处理问题,设计了一种适用于宽动态范围的信号获取电路,包括前端模拟电路和高速高精度模数转换电路。测试结果表明:整个电路的动态范围为5~2 000 m V,电路噪声的方均根值小于0.8 m Vrms,5 m V输入信号分辨率小于12%,5 m V输入信号非线性程度小于20%。整体测试结果达到设计要求。     

用于GEM探测器的像素型读出ASIC研究设计

介绍了用于GEM探测器像素型读出ASIC芯片方案和设计。方案采用模数混合设计,单通道集成模拟前端电路和模数转换器(ADC),完成信号电荷量测量片内数字化。模拟前端电路将输入信号还原成电流信号,放大后在电容上积分,实现信号电荷至电压的转换。电流信号底宽窄,积分时间窗口小,单通道事例率达1MHz。输入信号电荷量动态范围300fC时,积分非线性小于0.68%。低功耗SAR-ADC,10比特精度,采样率1Msps,功耗220uW。该方案相关芯片已流片和测试,取得较好的初步测试结果。     

用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学（FEE）的设计与实现,该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路（ASIC）芯片和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）研制,可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包,并通过LVDS差分接口上传到后端的数据获取系统（DAQ）。同时,该电路设有板载线性标定电路,可实现对各通道电子学性能刻度,设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路,使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。     

磁质谱仪离子收集器数字化读出系统的研制

研制了一个用于磁质谱仪法拉第筒阵列离子收集器的高精度数字化读出系统，实现对离子束中离子成分的分析与诊断。数字化读出系统由前端处理电路和数据获取模块组成，前端处理电路采用门控积分器将418通道微弱电荷信号转换为电压信号，数据获取模块将电压信号数字化后，通过以太网接口将数据上传到远程上位机。该读出系统实现了电荷范围为0.1~120 pC的数字化读出，非线性误差小于1.95%（全量程）。现场应用测试结果表明，该数字化读出系统完全满足实验需求。该系统还可广泛用于核物理实验和加速器系统中微弱电流或电荷信号的测量。     

基于碳化硅探测器的前端信号调理电路设计

碳化硅探测器能够在高温、高辐射强度下稳定工作,适用于核辐射探测。碳化硅探测器输出端连接前端信号调理电路,能够放大碳化硅探测器输出的微弱信号,从而使后端设备采集到准确的数据。设计了前端信号调理电路,包括电荷灵敏前置放大电路和脉冲成形主放大电路,重点分析了影响电荷灵敏前置放大电路变换增益、上升时间、噪声等性能指标的影响因素,采用阻容反馈、极零相消、有源滤波成形等设计提升电路的整体性能。实验室仿核脉冲测试及²⁴¹ Am中子源辐照测试表明,该电路可用于碳化硅探测器的核辐射测量。     

高计数率气体探测器读出电子学原型机研制

研制一套可用于高计数率气体探测器的读出电子学原型机系统,包括前端板、数据采集板和上位机。前端板采用一款先进的前端读出专用集成电路(ASIC)芯片实现对探测器信号的测量和模数转换;数据采集板利用现场可编程门阵列（FPGA）实现对数据的分析、处理和传输;上位机实现控制指令发送、PC端数据接收及存储等。在22~99 fC的输入范围内,原型机各通道积分非线性均好于024%;联合探测器使用55Fe放射源测试,结果好于相同条件下的商用电子学。可满足20 kHz计数率下GEM TPC探测器的读出需求。     

共面栅碲锌镉探测器读出电路设计及性能研究

为有效读出共面栅碲锌镉(CPG-CZT)探测器的核脉冲信号，本文结合CPG-CZT探测器工作原理及国内外研究，设计了可用于CPG-CZT探测器的读出电路，主要包括高压偏置电路、前置放大电路、增益调节及减法电路。为研究读出电路性能，本文测试了各单元电路的性能及探测系统能量分辨率随偏置电压、增益调节电路中两路信号的相对增益G的变化规律。结果表明：高压偏置电路两路输出偏压与输入偏置电压的相关系数R²均为0.998；前置放大电路输出噪声为5 mV；增益调节及减法电路输出信号噪声为10 mV；输入偏置电压、相对增益G的变化均会影响探测系统能量分辨率，当偏置电压为-1650 V、相对增益G为0.7时对¹³⁷Cs源产生的γ射线能量分辨率最佳，可达3.65%，且无明显拖尾现象。     

RG64—High Count Rate Low Noise Multichannel ASIC With Energy Window Selection and Continuous Readout Mode

We report on the performance of a low noise and high count rate readout ASIC with binary architecture and energy window selection for X-ray imaging applications using semiconductor detectors. The ASIC called RG64 is designed in 0.35 mum CMOS process and its total area is 3900times5000 mum². The core of RG64 consists of 64 readout channels. Each channel is built of a charge sensitive amplifier with a second order shaper of peaking time 75 ns, two independent discriminators with an 8-bit offset correction circuit and two independent 20-bit counters with RAM memory buffers. The ENC of the circuit reaches the value of about 126 el. rms with 1 pF input load and 5 mW power consumption per single channel. The mean gain in the multichannel ASIC is about 50 muV/el., with the dispersion from channel to channel of 0.9% (on one sigma level). The deviation of the effective threshold voltage spread for given energy can be reduced to less than 7 el. rms (calculated to the charge sensitive amplifier input). High count rate measurements have been performed up to 2 Mcps of average rate of input pulses, both for AC and DC coupled silicon strip detectors with X-ray photons of energy 8.04 keV. The RG64 can operate both in the continuous readout mode and in the readout mode separate from exposure.     

Characteristics of 16-Channel ASIC Preamplifier Board for Microstrip Gas Chamber and Animal PET

A 16-channel ASIC preamplifier board has been designed for microstrip gas chamber (MSGC) and animal position emission tomography (PET) detectors. The highly integrated ASIC chips can be used for individual readouts from a large number of channels to improve the spatial resolution and counting rate. The preamplifier board was tested to have a low optimum equivalent noise charge (ENC) of ~ 1400 e^? FWHM at a shaping time of 0.1 μs. The output voltage to input charge gain is 0.96 V/pC, and the nonlinearity is ~ 2:0% over a range of ?500 fC to 1000 fC in input charge. The rise time (10%–90%) with no input capacitor is about 54 ns. The power consumption of this preamplifier board is ~ 100 mW. The preamplifier board has been used to read out a 3 × 3 cm MSGC plate and an optimum FWHM energy resolution of 19.1% (5.9 keV peak of Fe-55) was obtained.     

CsI(Tl)闪烁探测器读出电路设计

介绍了配置于新型γ能谱仪的CsI(Tl)闪烁探测器的读出电路设计。输入缓冲级采用折叠嵌位电路,改善了系统频率特性并提高了输入阻抗;放大级采用自举电路,改善了系统动态性能并提高了开环增益;输出级采用电流源负载电路,改善了输出信号的线性度并增强了系统的稳定性。实验表明:读出电路噪声为51.08 f C+1.97 f C/p F,时间漂移为0.112%,探头对137Cs源γ射线的输出信号信噪比可达23:1,能量分辨率可达4.98%。     

远距离大动态范围电荷测量电路的设计

介绍了大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)空气簇射芯探测器阵列(Shower core detector array,SCDA)读出电子学方案的预研设计。系统采用基于电荷积分法的电荷测量方案,读出电子学通过同轴电缆接收光电倍增管输出的电流信号;采用在输入端与电荷积分放大器的虚地点之间接入等效50?电阻的终端阻抗匹配方案,并通过Pspice仿真验证该阻抗匹配的可行性。电路测试结果表明,该电路能满足远距离10 bit大动态范围电荷测量的设计指标要求。     

带增益的气体探测器读出ASIC的研制

设计了用于带增益的气体探测器比如GEM、RPC等读出的ASIC,实现对探测器信号的放大、成形和对后续实时采样ADC的驱动电路.电荷增益和成形时间可调,有利于探测器不同增益下性能的研究,也扩展了芯片的应用范围.由于成形电路引入的噪声变得显著,在低电荷增益下,ENC会随增益下降而增加.芯片采用Chartered 0.35μm2P4M CMOS工艺,论文介绍了芯片的详细设计和仿真结果.     

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer, DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星，用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector, PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一，参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管（photomultiplier tube, PMT)组成，有328个输出通道，每根塑料闪烁体条的动态范围为2×103，需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学（front-end electronics, FEE）板构成，共具有360个信号处理通道，总功耗6 W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等，其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160 ASIC芯片，考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题，以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明，该FEE系统工作稳定、性能良好，具有较好的技术指标，每个电子学通道实现了0～12.5 pC的动态范围，通道的随机噪声水平好于2 fC，积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境，具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心（CERN）的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验，验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求，能很好实现实际科学任务需求。