CALFE

メンバー

浜垣秀樹（東大CNS）
郡司卓（東大CNS）
林真一（東大CNS）
池田博一（JAXA)
田中真伸（KEK)

概要

CALFEチップは欧州素粒子原子核研究機構(CERN)のLHC-ALICE実験で議論されている、タングステンとシリコンパッド、ピクセルを用いた前方方向サンプリング型電磁カロリメータ(FOCAL)のフロントエンドASICとして開発されました。FOCALでは数GeVから500GeVの光子や中性メソンの測定を想定しており、FOCALのフロントエンド回路には非常に大きなダイナミックレンジが要求されます。CALFEチップは前段にカレントコンベアを用いることで、入力電荷50fCから200pCというダイナミックレンジを持つように設計されており、CMOS 0.25 μmプロセスを用いて開発が行われました。

機能・特徴

CALFEチップは主にカレントコンベア回路、波形整形回路(2次ローパス回路)、アナログメモリ回路で構成されており、1チップあたり6読み出しチャンネルを有しています。想定される入力電荷のダイナミックレンジが50fCから200pCで電荷の絶対量としてもASICで処理するには大きいため、初段に1/2,1/8,1/64/1/512という4つの異なるゲインのカレントコンベアを用いて、信号を減衰させながらダイナミックレンジを確保しています。波形整形回路で整形された波形は後段の深さ32のアナログメモリセルで保持されます。アナログメモリからの出力は読み出し用トリガー信号を入力することで読み出しモードに切り替え、5MHｚ-10MHzでチップ内で各ゲインごとにシリアルに出力されます。
主な特徴

ダイナミックレンジ：50fC-200pC
カレントコンベアゲイン:1/2,1/8,1/64,1/512
整形回路ピーキングタイム：250ns,500ns(選択可)
波形サンプリングレート:10MHz
読み出しレート：5MHｚ-10MHz
各ゲインごとにマルチプレックス読み出し(4つ出力ポート)

リソース

Tanner社製デザインツール用(S-Edit,TSPICE)回路図
レイアウト図
テスト用基板
プレゼンテーション等

図・写真等

ASIC内部回路の構成
初段に4 gain outoutを持つcurrent conveyorがあり、その後段に2次のshaping amplifier(250ns, 500ns)。
その後段にAMC(32 cell),MUX, buffer amplifierが実装されている

ASICのレイアウト図

ASICの評価用テストボード
chip用ソケット、差動ドライバー、レベルシフター、ADC(MAX1436b)、FPGA(Xilinx spartean3e)から構成されており、後段にSiTCP SOY1Gボードを実装し、データ収集を行う。 FPGAは、chipのslow controlとSiTCP-SOY1Gボードを通じたdata送受信に使われている。

線形性の結果

達成された性能

線形性・ダイナミックレンジ

channel間のばらつきは 1σ < 1%
時間応答 (trigger出力用): decay time at Current Conveyor: 10 ns (Qin > 20 pC)
AMCサンプリングクロック:writing 5-10 M Hz, reading 5 MHz

今後の課題

隣接セル間の干渉効果の抑制
非線形性の改善
AMCシリアル読み出しの効率化

発表論文リスト

S. Hayashi, H.~Hamagaki, T.~Gunji, M.~Tanaka, H.~Ikeda: "Development of a Front-end ASIC for Forward Calorimeter in LHC-ALICE experiment" at the JPS Spring meeting, Mar. 24--27, 2012, Kansei Gakuin University, Japan (slides)
S.~Hayashi, H.~Hamagaki, T.~Gunji, M.~Tanaka, H.~Ikeda : ``LHC-ALICEにおける前方方向カロリメータ用読み出しASICの性能評価'' at the JPS Spring Meeting, Mar. 26--29, 2013, Hiroshima University, Hiroshima, Japan (slides)
S.~Hayashi, H.~Hamagaki, T.~Gunji, M.~Tanaka, H.~Ikeda (Oral): ``Development of a Wide-Dynamic Range Front-End ASIC for W + Si　calorimeter'', at the 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Oct. 29-- Nov. 03, 2012, Disneyland Hotel, Anaheim, USA (slide)
S.~Hayashi, H.~Hamagaki, T.~Gunji, M.~Tanaka, H.~Ikeda, ``Development of a Wide-Dynamic Range Front-End ASIC for W + Si　calorimeter'', Proceedings of the 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Oct. 29-- Nov. 03, 2012, Disneyland Hotel, Anaheim, USA, Conference Record (2012) 576--580 (proceedings)