基于開關電容陣列的高速波形數(shù)字化ASIC研究.pdf

1、在粒子物理實驗中，探測器輸出的原始脈沖波形蘊含了豐富的物理信息，而波形數(shù)字化技術(shù)為提取全面的波形信息提供了最直接、最有效的途徑。傳統(tǒng)的波形數(shù)字化技術(shù)是基于高速ADC實現(xiàn)的，但隨著大規(guī)模粒子物理實驗中通道數(shù)的急劇增加，高速ADC受其功耗大、集成度低和成本高等因素限制逐漸不能滿足粒子物理實驗的需求。而基于開關電容陣列技術(shù)(Switched-Capacitor Array，SCA)的波形數(shù)字化方案采用高速采樣配合相對低速量化的方法解決了高速采

2、樣和低功耗之間的矛盾，其核心是進行SCA專用集成電路(ASIC)的設計。此方向是目前國際上該領域電子學的一個研究熱點，特別是在高精度時間測量方面，SCAASIC因其優(yōu)異的表現(xiàn)受到越來越多的關注。
　　到目前為止，國際上已經(jīng)有多款SCA ASIC被研制和使用，國內(nèi)在這一領域也已經(jīng)開始進行探索。本論文在調(diào)研典型SCAASIC的基礎上，瞄準高精度時間測量的需求，進行了基于SCA架構(gòu)的原型芯片的研究和設計。并針對SCA采樣間隔不均勻的特性

3、提出了相關時間修正算法。本論文的結(jié)構(gòu)組織如下:
　　第一章首先分析了粒子物理實驗中前端電子學的特點和發(fā)展趨勢，闡明了波形數(shù)字化技術(shù)是前端電子學重要的發(fā)展方向之一。然后分別介紹了基于高速ADC和基于SCA的波形數(shù)字化技術(shù)在粒子物理實驗中的應用實例，通過對比分析兩種技術(shù)路線的特點，指出基于SCA實現(xiàn)波形數(shù)字化具有更廣闊的應用前景。最后概述了本論文的研究內(nèi)容。
　　第二章介紹了SCA的基本工作原理，然后根據(jù)SCA芯片采用技術(shù)路線的

4、不同選取了國際上幾款典型SCA ASIC芯片進行詳細介紹，并在此基礎上總結(jié)分析了SCA ASIC芯片的發(fā)展趨勢以及在高精度時間測量領域的應用前景。
　　第三章針對高精度時間測量的目標，分析確定了本論文中SCA ASIC的設計指標，并對實現(xiàn)高速高精度以及片內(nèi)量化讀出的方案進行了討論分析，最后確定了本論文設計的SCA ASIC整體架構(gòu)。第四章在此基礎上，介紹了各核心模塊電路具體的設計與實現(xiàn)，并通過仿真對電路進行優(yōu)化。這些模塊主要包括:

5、采樣保持電路、單元讀出耦合電路、量化電路、時鐘產(chǎn)生電路和數(shù)據(jù)讀出控制電路等。最后還介紹了此ASIC的版圖設計以及封裝考慮。
　　第五章主要介紹了SCA ASIC的電子學性能測試結(jié)果。測試表明芯片可以穩(wěn)定工作在最高5.2Gsps的采樣率下，芯片模擬帶寬超過400MHz。在此基礎上，對此ASIC用于高精度時間測量時的性能進行了評估，并提出了基于超定線性方程組的時間修正算法，結(jié)合此修正技術(shù)最終時間測量精度達到10ps以內(nèi)。
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