Noise and PSRR improvement technique for TPC readout front-end in CMOS. technology.

ALICE is one of four major experiments of particle accelerator LHC installed in the European laboratory CERN. The management committee of the LHC accelerator has just approved a program update for this experiment. Among the upgrades planned for the coming years of the ALICE experiment is to improve the resolution and tracking efficiency maintaining the excellent particles identification ability, and to increase the read-out event rate to 100 KHz. In order to achieve this, it is necessary to update the Time Projection Chamber detector (TPC) and Muon tracking (MCH) detector modifying the read-out electronics, which is not suitable for this migration. To overcome this limitation the design, fabrication and experimental test of new ASIC named SAMPA has been proposed . This ASIC will support both positive and negative polarities, with 32 channels per chip and continuous data readout with smaller power consumption than the previous versions. This work aims to design, fabrication and experimental test of a readout front-end in 130nm CMOS technology with configurable polarity (positive/negative), peaking time and sensitivity. The new SAMPA ASIC can be used in both chambers (TPC and MCH). The proposed front-end is composed of a Charge Sensitive Amplifier (CSA) and a Semi-Gaussian shaper. In order to obtain an ASIC integrating 32 channels per chip, the design of the proposed front-end requires small area and low power consumption, but at the same time requires low noise. In this sense, a new Noise and PSRR (Power Supply Rejection Ratio) improvement technique for the CSA design without power and area impact is proposed in this work. The analysis and equations of the proposed circuit are presented which were verified by electrical simulations and experimental test of a produced chip with 5 channels of the designed front-end. The measured equivalent noise charge was <550e for 30mV/fC of sensitivity at a input capacitance of 18.5pF. The total core area of the front-end was 2300?m × 150?m, and the measured total power consumption was 9.1mW per channel.

ALICE é um dos quatro grandes experimentos do acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) instalado no laboratório europeu CERN. Um programa de atualizações desse experimento acaba de ser aprovado pelo comitê gestor do acelerador LHC. Dentro das atualizações planejadas para os próximos anos do experimento ALICE, está melhorar a resolução e eficiência de rastreamento de partículas produzidas em colisões entre íons pesados, mantendo a excelente capacidade de identificação de partículas para uma taxa de leitura de eventos significativamente maior da atual. Para se alcançar esse objetivo, entre outras ações, é preciso atualizar os detectores Time Projection Chamber (TPC), modificando a eletrônica de leitura de eventos, a qual não é adequada para esta migração. Para superar esta limitação tem sido proposto o projeto, simulação, fabricação, teste experimental e validação de um ASIC protótipo de aquisição de sinais e de processamento digital chamado SAMPA, que possa ser usado na eletrônica de detecção dos sinais no cátodo do TPC, que suporte polaridades negativas de tensão de entrada e leitura continua de dados, com 32 canais por chip, com menor consumo de potência comparado com a versão anterior do chip. Este trabalho tem como objetivo o projeto, fabricação, e teste experimental de um readout front-end em tecnologia CMOS 130nm, com polaridade configurable (positiva/ negativa), peaking time e sensibilidade, de forma que o novo SAMPA ASIC possa ser usada em ambos detectores. Para obter um ASIC integrando 32 canais por chip, o projeto do front-end proposto precisa ter baixa área e baixo consumo de potência, mas ao mesmo tempo requer baixo ruido. Neste sentido, uma nova técnica para melhorar a especificação de ruido e o PSRR (Power Supply Rejection Ratio) sem impacto no consumo de área e potência é proposta neste trabalho. A análise e as equações do circuito proposto são apresentadas as quais foram validadas por simulação e teste experimental de um circuito integrado com 5 canais do front-end projetado. O Equivalent Noise Charge medido foi <550e para uma capacitance do detector de 18.5pF. A área total do front-end foi de 2300?m × 150?m, e o consumo total de potencia medido foi de 9.1mW por canal.