Transcript 初段FET
X線・ガンマ線観測のための 半導体検出器用アナログASICの 低雑音化 東京大学理学系研究科物理学専攻 ISAS/JAXA 田村 健一 蛭田 達朗、高橋 忠幸（東大理、ISAS/JAXA） 池田 博一、高島 健、中澤 知洋（ISAS/JAXA） ＮＡＳＡ はじめに 我々はこれまで色々なアナログASICを使って半導体イメージャを開発し、 [1] 具体的に各アーキテクチャの持つ利点と問題点を知った。 利点を残しつつ、問題点は解決しなければならない。 解決するために、ASIC上でのアナログ回路技術を研究する必要がある。 また、作ってみなければ分からない点が多い。 ・設計通りに動くとは限らない ・プロセスの違いに大きく依存する ・シミュレーションで正確な雑音レベルを予想するのは難しい ・アナログASICの最高性能を引き出すフロントエンドの設計が難しい [1]午前中、大貫 講演 試作アナログASIC「K02」 ピークホールド回路 2pF P/H 2pF CSA Vth =高抵抗回路 コンパレータ 回路コンポーネント 増幅器 ・CSA用 ・オペアンプ 高抵抗回路 ピークホールド回路 コンパレータ回路 バイアス回路 検証項目：各回路コンポーネントの基本動作 アナログ性能 各コンポーネントに正確なバイアス電流を供給することが重要 「バイアス回路」 製造工程上でFETの大きさがばらつく影響を最小限に 参照電流 基 準 電 位 ばらつきの影響 安定動作 使える 領域 参照電流（uA） 複数の回路コンポーネントのバイアス電流を同時に正確に調整 1MΩ～1GΩの抵抗値が必要 「高抵抗回路」 短絡して使用 抵 抗 値 （Ω） 600 MΩ 8 MΩ 120 kΩ 周波数（Hz） R = （Vin2 – Vin1) / Iout 幅広い抵抗値を正確に調整 高抵抗回路の動作電圧 アナログ回路のリニアリティとダイナミックレンジの確保 アナログ回路を構成してシミュレーション ポールゼロキャンセル回路 R1=R2, R3=R4を保つことが必要 時定数を変えてもポールゼロキャンセルが維持 抵抗値が正確に調整できている 実際に製作したチップで動作確認 P/H Vth 減衰時間＝15us ピーキングタイム＝2.1us 実測 シミュレーション リニアリティ、動作範囲 ⇒シミュレーション通り テストパルス ノイズレベルの実測 容量 vs ノイズレベル CIN コンデンサーを挿入 ノ イ ズ レ ベ ル （e-） 実測値 ※配線の容量はゼロとしてプロット 65 e/pF 50 e/pF 317 e- @ 0pF SPICEシミュレーションの結果 シミュレーションより悪い 87 e- @ 0pF 入力容量 CIN （pF） 実測値の容量勾配はシミュレーションより30％も大きい 入力容量に依存したノイズがのっている ⇒ CSAに原因？ ノイズ源の考察 原因の究明 ノイズ源を追っていくと CIN に依存するノイズ源 ⇒ CIN に接続している初段FETが怪しい 仮定 CIN 初段FET VSS マイナス電源（VSS）が揺れると ⇒ 初段FETのドレイン電流が揺れる ⇒ 初段FETのゲート電圧が揺れる ⇒ 入力電荷の揺れ シミュレーションで定量的に評価 VSS 0.1 mV 整形回路出力 5 mV （40e相当） －1.3V（VSS）の揺れ 0.1mV p-p @100 kHzで 約 40e- 悪化 電源の揺れを下げる対策へ フロントエンド基板の設計 ・電源ラインのインピーダンスを徹底して下げる ・４層にして、グラウンドで各信号ラインを挟み込む （外部からの放射ノイズの低減、寄生容量による電源の揺れの低減） 12 cm CSA回路内部にRCフィルターを追加 電源（VSS）の揺れに対する感度のシミュレーション結果 電圧 感度（ｄB） 1/10 の電圧感度へ 周波数（Hz） 現在開発中のアナログASICから採用 まとめ ・ASICのアナログ回路技術を研究 ・試作チップ「K02」を設計・製作 ・徹底したシミュレーション ・実際に製作したチップがシミュレーション通りに動作するか検証 ・雑音レベルはシミュレーションの 87e に対して実測 317e ・主要因である電源の揺れを抑える対策 現在開発中のアナログASIC 実際の写真 アナログ回路 メモ・・・ K02-64P/N K02-32LG P/N K02-32SA H02 デジタル回路 1ch分のレイアウト図 200mm 8.0 mm 60 mm バンプパッド CdTeイメージャ用ASIC （評価準備中） 200um角、32X32ch、152uW / ch、 TSMC 0.25um CMOSプロセス その他のアプリケーションへの応用 64ch アナログASICの技術をベースに 荷電粒子検出器用 ASIC 6mm ・入力容量（100pF~1000pF）のSiストリップ検出器から読み出し ・10 MeV ～ 200 MeV の荷電粒子（宇宙線） ・32ch、1.5mW / ch、TSMC 0.35um CMOSプロセス 5mm 9.8 mm 高速イメージャ用 ASIC ・12bit カウンタを 1ch ごとに搭載 ・カウンタ回路を中心にデジタル回路の開発・実証 ・16×16 ch、250uW / ch、ローム 0.35um CMOS プロセス 9.8 mm マルチアノード光電子増倍管用 ASIC 6mm ・チャージアンプを外し、ゲインアンプのアレイに ・応用用途が広い ・32ch 、1.4mW / ch、TSMC 0.35um CMOS プロセス 5mm 133Ba アナログ性能 のスペクトル ・セルフトリガー ・20℃、400V 5.4 keV [FWHM] 0keV 40keV 1ch を CdTeダイオードに接続 （2mm角、0.5mm厚） ラインガンマ線のスペクトル 飽和 取得に成功 80keV K.Tamura et.al IEEE 2005 TNS ノ イ ズ レ 実測値がシミュレーションより悪い ベ ル 317e @ 0pF (e) 容量特性を測定 容量勾配に注目して原因の解明へ 65 e/pF 実測値 50 e/pF SPICEシミュレーション の結果 入力容量 CIN （pF） 世界のアナログASICを開発する機関と共同研究 VA32TA Caltech VLSI LBL VLSI IDEAS社 Ballistic Deficit Threshold Time Walk TOT ΔE = 1.3 keV (FWHM) 世界トップのアナログASICたち ΔE = 0.86 keV (FWHM) CdTeダイオードを接続して確認 1ch を CdTeダイオードに接続 133Ba （2mm角、0.5mm厚） のスペクトル ・セルフトリガー ・20℃、400V 5.4 keV [FWHM] 0keV 40keV 飽和 80keV K.Tamura et.al IEEE 2005 TNS ラインガンマ線のスペクトル取得 独自のアナログVLSI開発 目的 アナログVLSIのテクノロジーを自ら持つ ・回路内部を理解 ⇒ ブラックボックスにならない ・自分達の要求に合ったアナログVLSIを自在に開発できる 64ch アナログASICの回路構成 ピークホールド回路 2pF P/H 2pF CSA =高抵抗回路 Vth コンパレータ 10mm 1chの回路 ・TSMC 0.35um CMOS プロセス ・電源電圧 + 2.0 V / －1.3V ・消費電力 108 mW (1.5 mW / ch) 5mm ・雑音レベル（シミュレーション） 87 e @ 0pF ・整形時定数 0.5us ～ 1.9 us 実際の性能 1ch を CdTeダイオードに接続 133Ba （2mm角、0.5mm厚） のスペクトル ・セルフトリガー ・20℃、400V 5.4 keV [FWHM] 0keV 40keV 飽和 80keV K.Tamura et.al IEEE 2005 TNS ラインガンマ線のスペクトル取得に成功 ノイズレベルの評価 容量 vs ノイズレベル コンデンサー を挿入 CIN ＣＳＡ ノ イ ズ レ ベ ル （e-） 実測値 ※配線の容量はゼロとしてプロット 65 e/pF 50 e/pF 317 e- @ 0pF SPICEシミュレーションの結果 シミュレーションより悪い 91 e- @ 0pF 入力容量 CIN （pF） 実測値の容量勾配はシミュレーションより30％も大きい 入力容量に依存したノイズがのっている ⇒ CSAに原因？ 低雑音化への対策（１） 入力容量に依存する雑音 ⇒チャージアンプに原因と考察 CIN 初段FET VSS －1.3V（VSS）の揺れ 0.1mV p-p @100 kHzで 約 40e- 悪化 RC フィルターを追加 （雑音悪化を10分の1以下に） 低雑音化への対策（２） 抵抗＝ノイズ源 フィードバック抵抗で減衰 リセット信号 スイッチで減衰 ノイズ ∝ 「温度」×「整形時定数」 / 抵抗値 メリット： フィードバック抵抗部の雑音がなくなる 約 10e 減 デメリット： リセット信号によるデジタル雑音が生じる可能性 まとめ ・アナログASICが次世代検出器の実現の鍵 ・低雑音の回路を研究するために64chアナログASICを開発・評価 ・現在の雑音レベル= 317e @ 0pF ・雑音源を解明し、アナログ回路の改良案を考案 ・他のアプリケーションに対応したASICを開発 現在開発中のアナログASIC ・64ch １次元アレイ、1.5mW / ch 10mm （２）CdTe用 低雑音追求のための ASIC （評価中） 1ch分の回路 ・電子 / ホール 読み出しの２種類のチップ 100 pF ～ 1000 pF の入力容量 に対応 ・ 1×107個の入力キャリア 6mm （３）荷電粒子検出器 （Si ストリップ）用 ASIC （評価準備中） ・32ch １次元アレイ、1.5mW / ch （４）マルチアノード光電子増倍管用 （評価中） チャージアンプをバッファに置き換え ※いずれもTSMC 0.35um CMOS プロセス 6mm ・電子 / ホール読み出しの２種類のチップ 5mm 入力容量「大」の検出器へ対応 （100pF, 1000pF） 例: 大面積のSi半導体による荷電粒子センサー etc ΔE 2％ 0％ 1000pF 入力容量 対策後の効果 電源（VSS）の揺れからの影響のシミュレーション結果 電圧感度 （ｄB） 1/10 の電圧感度へ 周波数（Hz） 電源ラインの揺れの影響を無視できる 現在開発中のアナログ回路からこの回路を導入 アナログASIC = 次世代のX線・ガンマ線観測の「鍵」 (大規模集積回路) CdTeイメージャ Siストリップ MAPMT （マルチアノード光電子増倍管） 浜松の写真 浜松ホトニクス チャンネル数が従来の10～1000倍 ・コンパクトに ・現実的な消費電力に抑えるために アナログASICが必要不可欠 重要な研究項目 「低雑音化」 硬X線イメージャ CdTeのピクセル型半導体 （テルル化カドミウム） ２次元アナログASIC 目標 エネルギー分解能＜1keV（FWHM） 雑音レベル＜100e-（RMS） 低雑音のアナログ回路を研究するため 64chアナログASICを開発・ノイズ評価