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ILCの崩壊点検出器用高精細CCD
のための読み出しシステムの開発
齋藤智之 (東北大学)
1
高エネルギー春の学校 @ 彦根2011/05/13
杉本、宮本彰也、田窪洋介 (KEK)
池田博一 (JAXA)、 佐藤比佐夫 (信州大学)
板垣憲之輔,、山本均 (東北大学)
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目次
► 国際リニアコライダー (ILC)
► 高精細CCD(FPCCD)崩壊点検出器
► FPCCD用読み出しASIC
► FPCCD 読み出し試験
► 第2次試作ASIC
► まとめ
2
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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国際リニアコライダー (ILC)3
Detector
► 次世代電子・陽電子衝突型線形加速器
► 全長 : 約30km
► 重心エネルギー:500 GeV( upgrade:1TeV)
► ピークルミノシィティ: 2×1034 cm-2s-1
► 積分ルミノシティ: 500 fb-1 (4年間)
ヒッグスや新物理の精密測定を目指す
ILD detector
Electron source
13m
15m
Positron source
Main linac Main linacDumping ring
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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ヒッグスの物理と崩壊点検出器
終状態が複数ジェット
精度のよいジェットの起源の測定(フレーバ・タグ)が不可欠
軽いヒッグスはbb、ccへ崩壊
Hb
c
ILCが目指す物理 : ヒッグス機構の検証
~数百mm
4
~数百mme-
e+質量 (GeV)101
0.01
0.1
1
100ヒッ
グス
との
結合
の強
さ
b
c
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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ヒッグスの物理と崩壊点検出器
終状態が複数ジェット
軽いヒッグスはbb、ccへ崩壊
Hb
c
ILCが目指す物理 : ヒッグス機構の検証
~数百mm
5
~数百mme-
e+質量 (GeV)101
0.01
0.1
1
100
崩壊点分解能
崩壊点検出器:粒子の崩壊点測定
ヒッ
グス
との
結合
の強
さ
b
c
実験 第1項(mm) 第2項(mm)
LEP 25 70
LHC 12 70
ILC 5 10
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根ヒッグスの物理の解析には高性能の崩壊点検出器が必要
精度のよいジェットの起源の測定(フレーバ・タグ)が不可欠
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e-
e+
ILCの崩壊点検出器
崩壊点検出器►最内層に設置►ピクセル型検出器►ある一定時間信号を蓄積して読み出す
●課題:多数のペア・バックグランドによるピクセル占有率増大
6
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e-
e+
ILCの崩壊点検出器
崩壊点検出器►最内層に設置►ピクセル型検出器►ある一定時間信号を蓄積して読み出す
e--
e-- e+
g
g
e--
e+e+
7
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
●課題:多数のペア・バックグランドによるピクセル占有率増大
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e-
e+
ILCの崩壊点検出器
崩壊点検出器►最内層に設置►ピクセル型検出器►ある一定時間信号を蓄積して読み出す
●課題:多数のペア・バックグランドによるピクセル占有率増大
e--
e-- e+
g
g
e--
e+e+ ヒットのあるピクセル数
総ピクセル数
8
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e-
e+
ILCの崩壊点検出器
崩壊点検出器►最内層に設置►ピクセル型検出器►ある一定時間信号を蓄積して読み出す
●課題:多数のペア・バックグランドによるピクセル占有率増大
e--
e-- e+
g
g
e--
e+e+ ヒットのあるピクセル数
総ピクセル数
ILCのビーム構造~1ms ~200ms ~1ms
2650バンチ=1トレイン(RDR)
9
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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e-
e+
ILCの崩壊点検出器
崩壊点検出器►最内層に設置►ピクセル型検出器►ある一定時間信号を蓄積して読み出す
●課題:多数のペア・バックグランドによるピクセル占有率増大
世界中で技術確立が進められている
e--
e-- e+
g
g
e--
e+e+ ヒットのあるピクセル数
総ピクセル数
► 1トレイン分の信号を蓄積するとピクセル占有率10%以上(ピクセルサイズ:20mm×20mm)
⇒ 1%程度に抑える必要あり
ILCのビーム構造~1ms ~200ms ~1ms
2650バンチ=1トレイン(RDR)
10
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
水平転送CCD 最終出力
フォトダイオード
電子
電荷をバケツリレー方式で転送
垂直転送CCD
CCD動作原理
高精細CCD(Fine Pixel CCD)は高い崩壊点分解能と低いピクセル占有率を実現
FPCCD 崩壊点検出器11
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FPCCD 崩壊点検出器12
►ピクセルサイズ : 5 mm×5 mm
►有感層 :15mm(全空乏化)
►水平転送CCDも感度あり► 32チャンネルCCDセンサー
►チャンネル総数: 6080
・20000×128 pix/ch
⇒検出器のピクセル総数 ~1010
読み出しシステムの開発が重要
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
水平転送CCD 最終出力
フォトダイオード
電子
電荷をバケツリレー方式で転送
垂直転送CCD
CCD動作原理
高精細CCD(Fine Pixel CCD)は高い崩壊点分解能と低いピクセル占有率を実現
FPCCD崩壊点検出器
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読み出しASICの開発
低消費電力かつ低ノイズの中速処理を実現するASICが必要
13
ASIC開発の課題
1 train ~ 2650 bunch
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
●読み出し速度 > 10 MHz
●ノイズレベル < 30 electron
●消費電力 < 6 mW/ch
~1ms ~200ms ~1ms
ILCのビーム構造
これらの要求を満たすASICを開発することが目標
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ASICの構造
Pre-amplifier LPF CDS
ADC
ADCLVDS
driver
Output
Input
電荷再配分型ADC
ASIC design (1ch)
14
ノイズ抑制
5 MHz ×2
= 10MHz
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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ASICの構造
Pre-amplifier LPF CDS
ADC
ADCLVDS
driver
Output
Input
電荷再配分型ADC5 MHz ×2
= 10MHz
ASIC design (1ch)
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齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
ノイズ抑制
▸アンプとLPFのパラメータ値(ゲイン、フィルター値等)はPCより設定可能
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ASICの構造
Pre-amplifier LPF CDS
ADC
ADCLVDS
driver
Output
Input
電荷再配分型ADC
ASIC design (1ch)
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齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
ノイズ抑制
5 MHz ×2
= 10MHz
▸アンプとLPFのパラメータ値(ゲイン、フィルター値等)はPCより設定可能▸相関2重サンプリング回路(CDS):CCDのノイズを効果的に抑制
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ASICの構造
Pre-amplifier LPF CDS
ADC
ADCLVDS
driver
Output
Input
電荷再配分型ADC
ASIC design (1ch)
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齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
5 MHz ×2
= 10MHz
ノイズ抑制
▸アンプとLPFのパラメータ値(ゲイン、フィルター値等)はPCより設定可能▸相関2重サンプリング回路(CDS):CCDのノイズを効果的に抑制▸電荷再配分型ADC:低消費電力を実現
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読み出しシステム全体
ASICReadout board
動作信号設定信号
設定信号
► ASIC用基板► 読み出しボード (メイン FPGA)
→ クロック生成、動作信号送信► GNV-250 (VME) → 設定信号送信 (Gain, LPF)
► PC → ソフトウェア処理 (DAQ-Middleware)
構成要素
出力(Ethernet by 100 Mbps SiTCP)
18
GNV-250
(VME)
出力 (7bit)
FPGA
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第1次試作ASICの性能評価19
結果 要求 現状
読み出しスピード
1.5 MHz 10 MHz
・高速動作時にADCへの電流供給不足・浮遊容量の影響
ノイズレベル 40 e 30 e・分解能悪い:1ADC count=40e
・出力ADCカウントに欠け
消費電力13 mW/ch
(Simulation)6 mW/ch アナログ部とデジタル部で同程度
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
第1次試作ASICの性能評価結果をまとめる。
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第1次試作ASICの性能評価結果をまとめる。
結果 要求 現状
読み出しスピード
1.5 MHz 10 MHz
・高速動作時にADCへの電流供給不足・浮遊容量の影響
ノイズレベル 40 e 30 e・分解能悪い:1ADC count=40e
・出力ADCカウントに欠け
消費電力13 mW/ch
(Simulation)6 mW/ch アナログ部とデジタル部で同程度
第1次試作ASICの性能評価20
入力vs出力の線型性の測定
入力電圧 (mV)
AD
C カウント
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Performance test of 1st prototype ASIC21
We have to address these issues in next prototype of ASIC.
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
結果 要求 現状
読み出しスピード
1.5 MHz 10 MHz
・高速動作時にADCへの電流供給不足・浮遊容量の影響
ノイズレベル 40 e 30 e・分解能悪い:1ADC count=40e
・出力ADCカウントに欠け
消費電力13 mW/ch
(Simulation)6 mW/ch アナログ部とデジタル部で同程度
第1次試作ASICの性能評価結果をまとめる。
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FPCCD readout
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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FPCCD 読み出し
ASIC
開発した読み出しシステムにFPCCDを接続し、読み出し試験を行った
FPCCD prototype (浜松ホトニクス)
►ピクセルサイズ: 12 mm×12 mm
►チャンネル数: 4
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Readout board
動作信号設定信号
設定信号
出力 (Ethernet by 100Mbps SiTCP)
GNV-250
(VME)
出力 (7bit)
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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FPCCD 読み出し試験
開発した読み出しシステムでFPCCDセンサーの読み出し試験を行った。
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ペデスタル分布(ADC カウント)
⇒均一な分布
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FPCCD 読み出し試験
フォトマスク
開発した読み出しシステムは適切に動作している
LED光照射試験
“ILC”の文字が再構成できた
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齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
ペデスタル分布(ADC カウント)
⇒均一な分布
開発した読み出しシステムでFPCCDセンサーの読み出し試験を行った。
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第2次ASICの開発
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第1次ASICの問題点① 読み出し速度が設計値より遅い② 出力ADCカウントの欠けがある③ 消費電力大
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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第2次ASICの開発27
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
目的 :読み出し速度10 MHz達成とADCカウントの欠けの解決
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第2次ASICの開発28
主な変更点● 読み出し速度対策: 電流供給ライン(ASICの端子数)を増加.
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
目的 :読み出し速度10 MHz達成とADCカウントの欠けの解決
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第2次ASICの開発29
主な変更点● 読み出し速度対策: 電流供給ライン(ASICの端子数)を増加.
● ADCカウントの欠け対策► ADCのコンパレータのオフセット調節回路を導入
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
目的 :読み出し速度10 MHz達成とADCカウントの欠けの解決
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第2次ASICの開発30
容量を2つに分割し、底面電極接地
浮遊容量対策
コンパレータ
主な変更点● 読み出し速度対策: 電流供給ライン(ASICの端子数)を増加.
● ADCカウントの欠け対策► ADCのコンパレータのオフセット調節回路を導入► 浮遊容量の影響を抑えるためADC、コンパレータ設計変更
Switch
ビット重みに対応した容量
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
目的 :読み出し速度10 MHz達成とADCカウントの欠けの解決
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第2次試作ASIC性能評価by ポスト・レイアウト・シュミレーション
Layout 線型性の評価 (10MHz)
1ADC count
~7 electron
31
第2次ASICのレイアウトを作成⇒ポスト・レイアウト・シュミレーションにより性能評価
Input voltage(mV)
AD
Cco
unt
第2次試作の設計は10MHzで正常に動作が期待できる
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
浮遊容量の影響考慮できる
![Page 32: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/32.jpg)
パッケージ後の第2次試作ASIC
評価基板
32
ASIC第2次試作品
ASIC socket
FPCCD socket
▸製造会社 : TSMC
▸プロセス : 0.35mm CMOS
▸チャンネル数 : 8
▸チップエリアサイズ: 4.3 mm×4.3 mm
第2次試作ASIC
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
第2次ASICの製作を行い、2011年2月に納入した
![Page 33: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/33.jpg)
● 第1次ASICの開発、製作
► 読み出し速度、消費電力改善必要、ノイズはほぼクリア
● FPCCD読み出し試験
► 読み出しシステム正常に動作
► ノイズレベルの要求性能を満足
● 第2次ASICの開発、製作
► ポストレイアウトシュミレーションにより性能評価
⇒読み出し速度と出力の線形性問題なし
● 今後
►第2次試作ASICの性能評価
►消費電力の問題
► 6 mm × 6 mm FPCCDを用いた試験
まとめと今後33
厚さ 50 mmのFPCCD
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
6 mm×6 mmのFPCCD
![Page 34: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/34.jpg)
Second prototype of ASIC
► can be satisfied with the requirements on the readout speed
and noise level in the post layout simulation.
► Power consumption [Simulation] : 27 mW/ch
(requirement: 6 mW/ch)
► We received at the end of Feb. and has been tested the performance.
・Parameter set → OK
・ADC check.
・ Readout test with 6 mm × 6 mm FPCCD
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35
Parameter setting
Clock
Status value on shift register
The behaviors of the shift registers for setting the parameter
(gain, filter, offset) are investigated.
Behavior of the shift register in the case that “101010...” is written
The parameter is set correctly by order of the PC.
10101010101010101010
The output corresponds
with the command.
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
![Page 36: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/36.jpg)
cp(0)
VQP
VQM
Vref Vref
コンパレータ
Csp
Csn
ビット重みに対応した容量
cn(0)
コンデンサ・アレイ間の電荷演算のみでA/D変換→低消費電力
2N-1Cu 2N-2Cu
電荷再配分型ADC36
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
C1 C2
![Page 37: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/37.jpg)
cp(0)
VQP
VQM
Vref VrefCsp
Csncn(0)
電荷再配分型ADC37
2N-2Cu2N-1Cu
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
コンデンサ・アレイ間の電荷演算のみでA/D変換→低消費電力
ビット重みに対応した容量
コンパレータC1 C2
①入力信号が CspとCsn 蓄えられた後、コンパレータによりVQP とVQM 比較→最上位ビットの決定
![Page 38: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/38.jpg)
cp(0)
VQP
VQM
Vref VrefCsp
Csn
2N-2Cu
cn(0)
Charge sharing ADC38
2N-1Cu
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
コンデンサ・アレイ間の電荷演算のみでA/D変換→低消費電力
ビット重みに対応した容量
コンパレータ
①入力信号が CspとCsn 蓄えられた後、コンパレータによりVQP とVQM 比較→最上位ビットの決定
② ①の結果によりスイッチcp or cn が接続されC1と導通し、コンパレータによりVQP とVQM 比較→2番目のビットの決定
C1 C2
![Page 39: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/39.jpg)
Readout noise on total system
The pedestals on each pixels are checked to estimate the total noise
(Requirement : 50e).
Room
temperature -40℃
512250
60
0
30
90128
130 380
① ② ③④ ⑤ ⑥⑦ ⑧ ⑨
Measured pixel (CCD1ch)
Pixel ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ Ave.
Room temperature 100 72 96 92 100 100 96 68 92 91
-40℃ 38 30 44 48 48 40 40 34 40 40
0 60-60 20-20 40-40 0 60-60 20-20 40-40
Pedestal on pixel ⑤
Noise on each pixel (electron)
► The noises at -40℃・ equal to that of only ASIC.
・ are satisfied with the requirement (50 electrons).
ADC count
39
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
![Page 40: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/40.jpg)
半導体検出器(シリコン)40
► dE/dx : 1.66 (MeV/(g/cm2))
►密度 : 2.33 (g/cm3)
► 電子・正孔対生成エネルギー : 3.6 (eV)
► バンドギャップ : 1.1 eV
1mmに落とすエネルギー= 1 (mm) × 2.33 (g/cm3) × 1.66(MeV/(g/cm2)
= 388 (eV)
発生する電子数= 388 (eV) ÷ 3.6 (eV)
= 110 (個)
![Page 41: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/41.jpg)
ペアバックグランドの除去41
![Page 42: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/42.jpg)
FPCCD崩壊点検出器レイアウト42
![Page 43: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/43.jpg)
スイッチの浮遊容量対策
浮遊容量
スイッチをビット重みに対応したM値とすることで浮遊容量の影響を抑える
スイッチ
![Page 44: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/44.jpg)
Development of 2nd ASIC ②
Input
Output
Total design is changed to the symmetry one
44
More modification
● ADC count jump : Change on the design of the comparator
・Suppress the effect on the stray capacitance
+
-
Offset
adjustment
circuit
New comparator circuit in ADC
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
![Page 45: ILCの崩壊点検出器用高精細CCDosksn2.hep.sci.osaka-u.ac.jp/spring2011/school/slides/...ILCの崩壊点検出器用高精細CCD のための読み出しシステムの開発](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081601/611c7b8a6e084e569864fac8/html5/thumbnails/45.jpg)
Performance test
by Post layout simulation
45
The layout is designed by Digian Technology.
⇒ Performance test by the post layout simulation
Input voltage(mV)
AD
Cco
unt
Linearity measurement
(10MHz)
(simulation by the data from layout)
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根
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Performance test
by Post layout simulation
46
The layout is designed by Digian Technology.
⇒ Performance test by the post layout simulation
Input voltage(mV) Input voltage(mV)
AD
Cco
unt
AD
Cco
un
t
Some ADC counts are still missing because of the stray capacitance
in the comparator.
Linearity measurement
No stray capacitance(10MHz)
(simulation by the data from layout)
齋藤智之(東北大学), 高エネルギー春の学校 @ 彦根