h mathez workshop micrhau 4 mai 2009 1 workshop micrhau 4 mai 2009 front–end préamplificateurs et...

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WORKSHOP MICRHAU4 Mai 2009

FRONT–ENDPréamplificateurs

etShapers

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LES DÉVELOPPEMENTS FRONT-END

Température ambiante• Préamplificateurs de Charges• Shapers

Basse Température• Préamplificateurs de Charges• Shapers• Buffer

ILC (DHCAL et ECAL) INNOTEP Hodoscope de faisceau TARANIS (Mind)

T2K

AMS 0.35 CMOS et BiCMOS

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LES FRONT-END À TEMPÉRATURE AMBIANTE(PREAMPLIFICATEURS)

INNOTEP : 3 versions (CMOS, BiCMOS, BiCMOS full Diff) lecture APD et PM

Hodoscope de faisceau : convoyeur de courant rapide lecture de PM

TARANIS : lecture de diodes HgCdTe et Silicium

ILC : lecture de détecteur gazeux (RPC et/ou Micromegas) > DHCAL

Architecture : - cascode replié CMOS ou BiCMOS avec compensation par ajout de zéro- convoyeur de courant

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CARACTERISTIQUES (INNOTEP)CMOS BiCMOS BiCMOS

Full Diff

Photo détecteur APD APD/PM APD

Cd 80pF 80pf/10pF 50pF

Qmax 100fC 100fC/10pC 700fC

Rf 600k 600k/60k 300k

Cf 450fF 450fF/5pF 1pF

GBW 900MhZ 2 GHz 4.5Ghz

Shaper 100ns 50ns 20ns

ENC 2200e 2300e/1300e 3000e

Gain 1.3mV/fC 1.5mV/fC

150mV/fC

1.4mV/fC

Power 40mW 40mW 135mW

Proceeding MIPRO 2009 25-29 mai 2009 CroatiePublication dans un journal en cours MICRHAU + INL

Réutilisation avec modifications mineures pour Taranis (Mind)

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LAYOUT (INNOTEP)

280 µm

170

µm

CMOS

BiCMOS Full DiffBiCMOS

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Out_Shaper

Vgenerateur

Out2

Out1

INNOTEP BiCMOS full diff @ 700fC

= 1 V diff

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HODOSCOPE DE FAISCEAU

• Super base commune • gain variable sur 4 bits• Structure différentielle (étiquetage en temps)• Contrainte forte sur la vitesse : 1 impulsion toutes les 20ns

• Thèse en cours de rédaction• Stage de Master en cours

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ILC DHCAL

• Version Low power (180uA)• Intégrateur avec reset par switch• Cd ~ 60pF• Qmax : 1->100fC en mode umegas

1-> 10pc en mode RPC• Rise time : ~ 120 ns• GBW : 900MHz (umegas) et 50Mhz (RPC)

Implémentation dans un circuit 64 voies

Proceeding NSS-MIC 2008 DRESDE

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LES SHAPERSCR-RC

Structure de l ’amplificateur:• 1 seul étage de gain sur la base de cascode replié• Fully différentiel• CMFB avec double paires différentielles en PMOS

• GBW de 50 GHz• G0 = 78dB• Marge de phase : 30 Deg

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LES SHAPERSCR-RC

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LES SHAPERSCR-RC

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Filtrage de type intégrateur avec RAZ

diff.ampli.

OPA

Filtre CRRC

Avantages de l'intégrateur avec Remise à Zéro par rapport au shaper CRRC: Fonctionnement synchrone (RAZ) avec le collisionneur Plus grande efficacité de filtrage du bruit Temps de récupération plus rapide empilement réduit Track & Hold intrinsèque mémorisation du signal possible en fin d'intégration

Filtre intégrateur avec RAZ

Une alternative au filtrage de type CRRC

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Filtrage de type intégrateur avec RAZ

LHCb

VFE chip of the preshower

Filtre utilisé dans le circuit VFE pour le Preshower de LHCb

1LSB

1023Err

eur

en L

SB

Résultats de mesure d’une voie complète (VFE + FE):

Bruit < 1LSB

Fclock = 40 MHzPrécision: 10 bits

Lecture signal PM

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Etude le circuit VFE du calo. Électromagnétique d'ILC

Filtrage de type intégrateur avec RAZ

Fonderie commune LAL-LPCC1 voie analogique complète : préampli + 3 shapers integ. RAZ

Gain 2 : NL 4‰ Gain 100 : NL 7‰Gain 20 : NL 4‰

Mesures de non-linéarité pour les 3 shapers

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amp.

ampli.

comp.½ MIP

high gain

Switches blockcontrol

½ MIP

Clock

dummy

Auto-trigger

to ADC

Configuration en mémoire analogique pour ILC

Filtrage de type intégrateur avec RAZ

Soumission en fonderie pour cet été d'une voie complète (préamp + shaper)

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FRONT END À BASSE TEMPÉRATURE

• Préamplificateur de charges

• Shapers

• Buffer 50 ohms

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T2K_Versions_1-2-3

Schematic results with Cdet=250pFtemp(°C)

GBW(MHz)

Rpa (M?)

Cpa ( fF )

Tau filter( μs)

peakTime(ns)

ENC(e-)

593 2 500 - 595 ns 193820 500 - 959.4 ns 1677

972.3 2 500 - 559.4 ns 115820 500 - 731.2 ns 1076

790.4 2 500 - 515 ns 209510 500 - 550 ns 18012 500 1 924 ns 1338

10 500 1 1323 ns 10531275 2 500 - 515 ns 1220

10 500 - 560 ns 11062 500 1 1037 ns 713

10 500 1 1525 ns 565693 4 250 - 923 ns 1245

[0.5-4] 1367 ns 11611884 4 250 - 689 ns 776

[0.5-4] 1314 ns 590

27

-150

T2K_V3TOPPING

27

-150

T2K_V1PA_TOP

27

-150

T2K_V2TOP_EST

Cpa

CDet

buffer

BP filterGpa

Rpa

Qin

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• Vérification du process AMS_C35 à basse température :– Résistances

– Seuil transistors PMOS

– Seuil transistors NMOS

Circuit 2MΩ 20MΩ PA Shaper 1μs PA Shaper 1μs temperature th exp th exp th exp th exp

30 2040 2261 1530 1590 2225 2720 1272 1648 -111 1722 1847 1002 1166 1811 2111 887 1171 -200 1145 1990 599 1078 1363 2545 581 1310

efficiency -111°C/30°C -15.5 -18.2 -34.5 -26.6 -18.6 -22.3 -30.2 -28.9 -200°C/30°C -43.8 -11.9 -60.8 -32.1 -38.7 -6.4 -54.3 -20.5

T0 RT0 TCR1 (10-3Ω/K) TCR2 (10-6Ω/K) 27°C spec. exp exp exp

rpoly2 350Ω 400Ω 0.70 1.17 rpolyhc 2MΩ 1.8MΩ -2.37 5.70

temp (°C) -196 -75 +25 Vth_exp 1.183 0.922 0.733 Vth_th 1.133 0.911 0.731

temp(°C) -198°C -75°C +25°C Vth_exp 0.904 0.871 0.842 Vth_th 0.796 0.662 0.552

PMOSWtot=100μ, L=0.35μ, ngate=10

NMOSWtot=199.8μ, L=0.7μ, ngate=9

T2K_V1

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CONCLUSION

Optimisation du Préamplificateur :

• Etroitement lié au type de détecteur (Cd)

• Quantité de charges produites (Cd/Cf)

• Physique (résolution en temps ou résolution en énergie)

• Puissance disponible

• Signal/Bruit le couple PA et Shaper est essentiel