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.

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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 ① Pixels on LSI NIM A535 (2004) 477 ② Multiple LSI’s Max Size = 2cm x 2cm 2 x 2 LSI’s are maximum because of bonding pads → Max size = 4cm x 4cm ③ PCB Bd Difficulty in wiring. → Min. pixel size = about 1mm 2 ④ Use TFT process for LCD Difficulty in availability

Readout Circuit For Still X-ray Imaging Incident signal on GEM sheet Trigger Clock Analog Out CH ・・・・・・・・・・・ Still Imaging. We want to obtain information per particle.

Readout Circuit For Motion Imaging by Neutron Imaging rate = about 100rps x 10frames = 1 000 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

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 0.25  m 1P5M n-well process. VDD=2.5V.

Schematic of Channel MUX 1pF Discharge switch Compensating dummy switch Folded-Cascode OPamp Test Pulse Input Pixel Charge Input Shift Register Switch Control Over-Voltage Protection W/L=8  m/4  m from the previous channel to the next channel

Schematic of OP amp Standard Folded-Cascode OP amp DC Open loop gain64.2dB gain band width 63.1MH z phase margin77.4° Common-mode gain-16.7dB Common-mode rejection ratio 80.4dB PSRR+70.1dB PSRR-84.1dB output impedance414kΩ slew rate 148V/u s settling time (1%) 26.1ns OP amp feature obtained by simulation

Layout Design 5mm 2.5mm 1ch circuit OPamp Capacitors MUX Shift Register switch 230um Process: TSMC 0.25  m 1P5M n-well Chip size: 5mm×2.5mm The design has been submitted for fabrication. The chip has been obtained in Nov/2007.

Layout Simulation Parasitic RC’s are extracted. Analog Output of the Chip (i.e. MUX out) Droop of the Capacitor 7mV droop during a frame period, of which 4mV is due to the discharge switch. Rise time = 50ns. Setting time = 160ns (0.1%).

Layout Simulation Total power dissipation of the chip : 75mW Crosstalk between neighboring channels : 0.01% Clock migration to the analog out : 10mV pp

PCB Design

PCB Circuits LSIからの出力領域 V (Vref=0.75V) ADC(AD7825) の conversion 領域 0-2.5V ADC : 8bit 1.5V V V 1k1.3k 3.3p 1.5k 1k

PCB Fabricated with ASIC

Summary and Future Frontend ASIC for GEM imaging was fabricated using TSMC 0.25  m process. Layout simulation has been done. System test using GEM chamber will be CNS. Single chip test will be Nagasaki. Integrate with pipelined ADC?