H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 1 WORKSHOP MICRHAU 4 Mai 2009 FRONT–END Préamplificateurs et Shapers.

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1 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 1 WORKSHOP MICRHAU 4 Mai 2009 FRONT–END Préamplificateurs et Shapers

2 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 2 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

3 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 3 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

4 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 4 CARACTERISTIQUES (INNOTEP) CMOSBiCMOS Full Diff Photo détecteurAPDAPD/PMAPD Cd80pF80pf/10pF50pF Qmax100fC100fC/10pC700fC Rf600k600k/60k300k Cf450fF450fF/5pF1pF GBW900MhZ2 GHz4.5Ghz Shaper100ns50ns20ns ENC2200e2300 e /1300e3000e Gain1.3mV/fC1.5mV/fC 150mV/fC 1.4mV/fC Power40mW 135mW Proceeding MIPRO 2009 25-29 mai 2009 Croatie Publication dans un journal en cours MICRHAU + INL Réutilisation avec modifications mineures pour Taranis (Mind)

5 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 5 LAYOUT (INNOTEP) 280 µm 170 µm CMOS BiCMOS Full DiffBiCMOS

6 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 6 Out_Shaper Vgenerateur Out2 Out1 INNOTEP BiCMOS full diff @ 700fC = 1 V diff

7 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 7 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

8 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 8 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

9 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 9 LES SHAPERS CR-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

10 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 10 LES SHAPERS CR-RC

11 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 11 LES SHAPERS CR-RC

12 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 12 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

13 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 13 Filtrage de type intégrateur avec RAZ LHCb VFE chip of the preshower Filtre utilisé dans le circuit VFE pour le Preshower de LHCb 1LSB 1023 Erreur en LSB Résultats de mesure dune voie complète (VFE + FE): Bruit < 1LSB Fclock = 40 MHz Précision: 10 bits Lecture signal PM

14 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 14 Etude le circuit VFE du calo. Électromagnétique d'ILC Filtrage de type intégrateur avec RAZ Fonderie commune LAL-LPCC 1 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

15 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 15 amp. ampli. comp. ½ MIP high gain Switches block control 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)

16 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 16 FRONT END À BASSE TEMPÉRATURE Préamplificateur de charges Shapers Buffer 50 ohms

17 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 17 T2K_Versions_1-2-3 Schematic results with Cdet=250pF C pa C Det buffer BP filter G pa R pa Q in

18 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 18 Vérification du process AMS_C35 à basse température : –Résistances –Seuil transistors PMOS –Seuil transistors NMOS PMOS Wtot=100μ, L=0.35μ, ngate=10 NMOS Wtot=199.8μ, L=0.7μ, ngate=9 T2K_V1

19 H MATHEZ Workshop MICRHAU 4 mai 2009 19 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