ワイドダイナミックレンジアンプの開発 1. 研究の背景 0.5μmCMOSプロセスによる ASIC開発 0.25μmCMOSプロセスによる 片寄祐作　　　　　横浜国大・工 池田博一　　　　　JAXA/ISAS 田中真伸　　　　　KEK 1. 　研究の背景 0.5μmCMOSプロセスによる　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ASIC開発 0.25μmCMOSプロセスによる 4. 　まとめ 2010年 7月 １日オープンソースコンソーシアム　ワークショップ ＠KEK

研究の背景 -GeVからTeV領域の高エネルギー宇宙線観測実験- CREAM 10GeV　～　100TeV BESS ATIC　　<　数十TeV CALET 1GeV- 1000TeV 最近の実験と検出器の例 ●　ATIC 　BGO + PMT(Anode+Dynodes) + ASIC 　( BGO　22X0　、10MeV – 20TeV ) ●　CREAM 　　TRD, Tungsten-Scintillating fiber + HPD+VA32HDR2 　（1fC以下 – 15000fC） ●　Fermi LAT 　　CsI(Tl) + Dual PIN PD + ASIC 　　（W:1.5X0+CsI:8.6X0、5桁の読み出し） ●　CALET 　　PbWO4 + PD,APD + Hybird IC 　　（ W:3X0+PbWO4:27X0、0.5 ～106粒子) Fermi LAT 20GeV　～　1TeV

ワイドダイナミックレンジアンプＡＳＩＣ開発 要求性能 　4桁のダイナミックレンジでの測定 　　 １ｆＣ以下から数十pC 　低消費電力、多チャンネル、放射線耐性 　●　0.5μmCMOSプロセスによるASIC開発　 　　　　　2008年　「ASICデザイン講習および製作実習」に参加 　　　　　KEK　ASICライブラリー（FE2006）を使用。 　●　 0.25μmCMOSプロセスによるASIC開発 　　　　　2009年9月～　 　　　　　OPEN-IP(JAXA 、池田氏)を使用　　　　　　　

0.5μmCMOSプロトタイプＡＳＩＣのブロック図 時定数：500nsec 時定数：1μsec～10μsec カットオフ周波数：30MHz 電源電圧：±2.5Ｖ 積分用コンデンサの容量:12ｐF PZC：High gain ×8, Low-gain　×1/2 LPF: 多重帰還型ローパスフィルター

１ｃｈ分の回路構成 Charge amp. PZC(Low gain) LPF(Low gain) Buffer シミュレーションによって決定した回路図。 　各パートのボックスはKEKで開発された回路で CMOSとコンデンサ、抵抗で構成されている。 回路周りのCMOS、抵抗はバイアス電源。 Charge amp. PZC(Low gain) LPF(Low gain) Buffer PZC(High gain) LPF(Low gain) Buffer ライブラリー　FE2006

0．5μｍＣＭＯＳプロセスによる試作回路 ＴＳＭＣ社　0.5μmCMOS

性能評価：リニアリティ 正入力 負入力 High gain High gain Low gain Low gain 16倍 正入力　　　　　　　　　　　　　　負入力 16倍 High gain Low gain 約1300fC(<5%) 約26000fC(<5%) 約700fC(<5%) 約8600fC(<5%) High gain Low gain

性能評価 ノイズスロープ FWHM[fC]= 3.2×10-4[fC/pF]×C + 0.27[fC] 宇宙線ミュー粒子測定 CsI(Tl)+Si PIN-PD (18×18mm2) Peak=7.8 fC

まとめ 0.5μmCMOSプロセスにより光センサーに用いるワイドダイナミックレンジなASICを開発した。 　　　KEK　ライブラリー　FE2006を使用。 性能 　　　●最大レンジ：約26pC 　　　●消費電力：28.6mW(+2.5V)、37.7mW(-2.5V) 　　　●ノイズレベル：　～０．3ｆＣ＠100pF

0.25μmCMOS ワイドレンジアンプASICのブロック図 ・ASICの微細化→　低消費電力、 TID対策 ・多チャンネル化 ・ADCの実装 ・ゲイン切り替え

回路デザイン：Charge amp. OPEN-IP（JAXA） Shaper回路部分 直流帰還調整電圧入力

回路デザイン：Shaping　amp. PZC

回路デザイン：Charge amp. +Shaping amp. Charge amp. Sharping amp. Capacitor部分 C:4pF +4pF(SW)+8pF(SW) 共通回路 PZC 1pF 4pF 16pF 64pF amp. 漏れ電流補償回路 Registor部分

回路デザイン：Shaping amp.+ADC COMMON内部

ウィルキンソン（Wilkinson）型ADC スイッチ信号 ADC出力 （パルス幅） ランプ電圧 （コンパレータ入力） シェーパーアウト信号

SPICEによるWDAMPの性能評価 リニアリティー Digital control inputs. Lowest-gain Highest-gain Digital control inputs. LG0,LG1:on Vth=100mV コーナー条件：TT LG0,LG1:off Vth=100mV コーナー条件：TT

デジタル制御 制御レジスタ：CONTROL_CCR 、 CONTROL_LCR コントロール用外部入力と関係した出力信号 INPUT RESTORE1 : Preamp. レストア 信号 RESTORE2 : Shaping amp. レストア信号 　HOLDB ： Shaping amp. out ホールド信号 INITB : 制御レジスタ　リセット信号 DIN : 制御レジスタデータ WCK : レジスタ書き込み用クロック WR : レジスタ書き込み許可信号 SELCK : レジスタセレクト信号用クロック SELIN : レジスタセレクト信号 OUTPUT DOUT : レジスタデータ出力 　SELOUT : -> SELIN WIDTH0-3 : ADC出力 MONOUT : preamp. out(MONOUT0)/shaping amp. out(MONOUT1) AOUT : ホールド出力

回路デザイン 全体図 Analog monitor out Digital control inputs. ADC 出力 16ch 回路デザイン　全体図 Analog monitor out Digital control inputs. ADC 出力　16ch 　　　　=4ch/amp.×4amps 入力　4ch

0.25μmCMOSプロセスによるレイアウト図 電源ライン 入力 4ch Analog部 Digital部 Bias電源回路 +register CSA+S.A.+ADC +register ADC 出力　16ch 入力　4ch 空きエリア VSS 電源ライン シリコンアーティスト テクノロジー社 Analog部　　　　　　Digital部

まとめ 宇宙線カロリメータに使用する ワイドダイナミックレンジアンプの開発を行っている。 ・ 0.5μmCMOSプロセスのASICを開発し、 　宇宙線カロリメータに使用する　ワイドダイナミックレンジアンプの開発を行っている。 ・　0.5μmCMOSプロセスのASICを開発し、 　　性能を評価した。 　　　　[KEK　ライブラリー使用] ・　0.25μmCMOSプロセスによるASIC開発中 　　　　[JAXA　Open-IPを使用]　　　　　　　　　　　　　　　 　　レイアウト図まで完成。