基于 nino 芯片的 tot 读出电子学系统研究

快电子学实验室 Fast Electronics Lab

中国科学技术大学University of Sci.& Tech. of China

基于 NINO芯片的 TOT读出电子学系统研究

报告人：黄亚齐中科院核探测技术与核电子学重点实验室

中国科学技术大学近代物理系

2010-8-17



• 1.TOT 原理• 2.NINO 芯片及测试板介绍• 3. 测试结果• 4. 总结

报告主要内容



1.TOT 原理

• TOT 方法：

TOT 原理示意图

相同前沿过阈时间： tvm 幅度不同，后沿过阈时间tw1 、 tw2 、 tw3 不同



• TOT 传统设计思路：• 分立的放大器和甄别器芯片 +TDC 芯片

• TOT 设计新思路：• ASIC 芯片 +TDC 。• 如 :

• BABAR 探测器的 ATOM ；• CAMPASS 实验中的 SFE16 ；• ALICE和 STAR 中采用的 NINO 。



2.NINO 芯片及设计的测试板介绍

• NINO ：

NINO 内部 ASIC 框架

NINO是 ALICE 工作组在 TOF 探测器中基于 TOT 方法设计的专用集成 ASIC芯片，采用 0.25μm CMOS 工艺开发研制，集成了 8 个通道，主要应用于多气隙电阻板室（ MRPC ）的信号处理。其集成高增益放大器、前沿定时甄别、输出脉冲延展电路以及 LVDS 输出驱动电路。



NINO ：线性放大范围： 0~100fC

全差分信号处理技术低噪声和宽带放大（ 500MHz ）设计单通道阈值： 10fc~100fc

输出信号前沿： 1ns

HPTDC 测试前沿抖动 <25ps



基于 NINO 的测试板结构框图实物图

THS4509

NINO时间测量信号源单端输入 8通道

全差分信号8通道

LVDS输出

NINO放大甄别测试板

THS4509

THS4509

THS4509

THS4509

THS4509

THS4509

THS4509



3. 测试结果

测试工具：

ROHDE&SCHWARZ SMA 100A 信号源

Tektronix 的任意 / 函数波形发生器 AFG3252

LeCroy 104MXi 示波器（ 1GHz 带宽）

HPTDC 测量板

万用表，单端及差分电缆若干



3.1 噪声：

NINO 芯片输出信号波形噪声带入抖动直方图统计分析测试得到的 NINO 芯片带入的抖动在 5ps 左右。



3.2 时间精度：

NINO测试板信号源TDC测试系统

LVDS

延时可调信号

时间精度测试系统结构框图时间差测量法测试结果统计直方图

将测试系统两路输出信号送入 HPTDC 进行前沿时间测量，可见由 NINO 输出的信号经 HPTDC 进行时间标定的时间精度约为 20ps （根据 HPTDC 的器件手册， HPTDC的LSB为 25ps ，时间测量精度 RMS约 17ps ）



时间测量精度与输入信号前沿关系

时间精度与信号前沿时间关系时间精度与输入幅度关系

输入信号前沿越快，幅度越大，测试的时间精度越好，反之，前沿时间越慢，幅度越小，测试的时间精度越差。

因此，输入信号前沿的陡峭程度是高精度时间测量的一个重要因素。



输出信号时间宽度与输入信号幅度关系

输出信号宽度随输入信号幅度的增加呈指数增加的趋势。在实际应用于时间测量时可根据实际测得的脉宽变化曲线修正前沿定时的时间游走效应带来的误差。



3.3 NINO 芯片的低阈值带来的误触发

图中的毛刺即为 NINO 在阈值设定为 50fC 时因噪声带来的误触发。NINO 芯片的线性放大动态范围是 10fc到 100fc ，由于在噪声信号幅度小于 100fc ，信号被 NINO 线性放大，因此产生的毛刺不是满幅度方波。可见，使用 NINO 芯片时一定要注意其应处于比较理想的工作环境中，工作中应保持较低的噪声，否则会导致其产生误触发输出。



4. 总结

NINO 芯片：低电子学

NINO+ 高精度 TDC 芯片：时间测量精度好于25ps

需要低噪声的良好环境

有望在日后的 BES III 端盖 TOF 升级工程中以及中子管位置灵敏探测器中得到应用。



谢谢！

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