GEM 型放射線イメージング装置用フロントエンド LSI の開発

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GEM 型放射線イメージング装置用フロントエンド LSI の開発. 2007 年 12 月 15 日 4 th MPGD 研究会@大阪市大 房安貴弘 1 * 、佐野哲 2 、田中義人 1 、浜垣秀樹 2 1 長崎総合科学大学 2 東京大学原子核科学研究センター. Motivation. GEM を用いた X 線イメージングや中性子線イメージングのため、専用のフロントエンド LSI を開発。. X 線の場合。 考古学のフィールドワークや医療用など. 中性子線の場合。 エンジン中の液体の動的観察など. Pixel Readout Method. - PowerPoint PPT Presentation

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GEM 型放射線イメージング装置用フロントエンド LSI の開発2007 年 12 月 15 日

4th MPGD 研究会@大阪市大房安貴弘 1 *、佐野哲 2 、田中義人 1 、浜垣秀樹 2

1 長崎総合科学大学2 東京大学原子核科学研究センター

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Motivation

• GEM を用いた X 線イメージングや中性子線イメージングのため、専用のフロントエンド LSI を開発。

X 線の場合。考古学のフィールドワークや医療用など 中性子線の場合。エンジン中の液体の動的観察など

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Pixel Readout Method ① Pixels on LSI

NIM A535 (2004) 477

② Multiple LSI’s

Max Size =2cm x 2cm

2 x 2 LSI’s are maximumbecause of bonding pads→ Max size = 4cm x 4cm

③ PCB Bd

Difficulty inwiring.→ Min. pixel size = about 1mm2

④ Use TFT process for LCD

Difficulty in availability

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Readout CircuitFor Still X-ray Imaging

Incident signalon GEM sheet

Trigger

Clock

Analog Out CH1 2 3 4 5・・・・・・・・・・・

• Still Imaging.• We want to obtain information per particle.

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Readout CircuitFor Motion Imaging by Neutron

Imaging rate = about 100rps x 10frames = 1000 fps → Need fast readout

• 1ms 積分の後、読出し、放電。• 放電直後のベースライン電位も測定。

Frame Signal

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Prototype Strategy

• w/o peak-hold circuit and shaper because of integration mode for neutron imaging.

• w/o output buffer.• Trigger is given by user.• Use TSMC 0.25m

1P5M n-well process.VDD=2.5V.

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Schematic of Channel

MUX

1pF

1pF

Discharge switch

Compensating dummy switch

Folded-CascodeOPamp

Test Pulse Input

Pixel Charge Input

Shift Register

SwitchControl

Over-VoltageProtection

W/L=8m/4m

from the previous channel

to thenext channel

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Schematic of OP ampStandard Folded-Cascode OP amp

DC Open loop gain 64.2dB

gain band width 63.1MHz

phase margin 77.4°

Common-mode gain -16.7dBCommon-mode rejection ratio 80.4dB

PSRR+ 70.1dB

PSRR- 84.1dB

output impedance 414kΩ

slew rate 148V/us

settling time   (1%) 26.1ns

OP amp feature obtained by simulation

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Layout Design5m

m

2.5mm

1ch circuit

OPamp

Capacitors

MUX

Shift Registerswitch

230um

Process: TSMC 0.25m 1P5M n-wellChip size: 5mm×2.5mmThe design has been submitted for fabrication.The chip has been obtained in Nov/2007.

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Layout Simulation• Parasitic RC’s are extracted.

Analog Output of the Chip (i.e. MUX out)

Droop of the Capacitor7mV droop during a frame period, of which 4mV is due to the discharge switch.

Rise time = 50ns.Setting time = 160ns (0.1%).

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Layout Simulation

• Total power dissipation of the chip : 75mW• Crosstalk between neighboring channels : 0.01%• Clock migration to the analog out : 10mVpp

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PCB Design

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PCB Circuits• LSIからの出力領域    0.75-1.75V (Vref=0.75V)• ADC(AD7825) の conversion 領域    0-2.5V

ADC : 8bit

1.5V

0.75-1.75V0.1-2.4V

1k 1.3k

3.3p

1.5k1k

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PCB Fabricated with ASIC

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Summary and Future

• Frontend ASIC for GEM imaging was fabricated using TSMC 0.25m process.

• Layout simulation has been done.• System test using GEM chamber will be perform

ed @ CNS.• Single chip test will be performed @ Nagasaki.• Integrate with pipelined ADC?