Design and test of a readout ASIC for a SiPM - based camera : ALPS (ASIC de lecture pour un photodétecteur SiPM)

par Fatima Mehrez

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Sylvie Rosier-Lees et de Richard Hermel.

Le président du jury était Giovanni Lamanna.

Le jury était composé de Sylvie Rosier-Lees, Richard Hermel, Pascal Vincent.

Les rapporteurs étaient Nicoleta Dinu, Jean-François Glicenstein.

  • Titre traduit

    Conception et test d'un ASIC de lecture pour un photodétecteur SiPM (ALPS)


  • Résumé

    Cette thèse est la R&D de l’électronique de front-end destinée à la camera de deuxième génération du télescope de grande taille LST de projet CTA, étant basée sur les détecteurs de type SiPM. Cette étude rassemble des équipes du LAPP, de l’université de Padoue, de l’INFN et du MPI de Munich. La première partie de cette thèse porte sur les tests de caractérisations d’une matrice de 16 SiPMs fabriquée par Hamamatsu. Les résultats de ces tests ont souligné les avantages qui pourraient être apportés par l’utilisation de tels détecteurs. Un cahier des charges pour l’électronique a été défini à l’issue de ces tests. Notamment, une nécessité de corriger la dispersion en gain entre les 16 pixels qui a été trouvée d’environ 10%. La seconde partie est la conception d’un circuit intégré (ASIC) qui pourrait lire les signaux des pixels -SiPM avec la moindre perturbation possible de fonctionnement du détecteur. Cet ASIC inclut des fonctions de contrôle (slow control) qui permettent l’ajustement de gain des pixels, l’amélioration de l’uniformité de gain et la possibilité de supprimer les canaux bruyants ou encore même le contournement du processus de contrôle de gain. Ces fonctionnalités peuvent unifier le gain de 16 canaux. Les sorties des 16 canaux seront sommées pour en faire deux signaux seulement à la sortie de l’ASIC. Ces deux signaux, un sur le haut gain et l’autre sur le bas gain seront fournis au système d’acquisition qui suivra l’ASIC. Une fonction de déclenchement génèrera un signal de trigger qui sera ainsi transmis au système d’acquisition. Cet ASIC a été réalisée avec la technologie AMS 0.35um BiCMOS. Les simulations ont montré une gamme dynamique linéairement couverte jusqu’à 2000 photoélectrons et la possibilité de mesurer le photoélectron unique grâce au bon rapport signal sur bruit électronique. Les tests au laboratoire confirment une grande partie de ces résultats.


  • Résumé

    This thesis is the R&D on front-end electronics for a second generation camera based on the SiPM detectors for the Large Size Telescope (LST) of the CTA project. It is a part of the SiPM collaboration involving the LAPP, the University of Padua, the INFN and the MPI in Munich. The first part of the thesis is the characterization of an array of 16 SiPMs from Hamamatsu. The study proves the advantages of using such detectors in the LST. It defines the specifications of the readout electronics that are the aim of this work. Especially that it should ameliorate the gain dispersion of the 16 pixels that was found of about 10%. The second part is the design of the readout ASIC. The scheme tends to measure the SiPMs’ signals with minimum disturbance of the detector. It integrates slow control facilities that adjust the detector’s gain, minimize the dispersion in gain and provide the possibility of deleting noisy channels or even completely jumping over the control process. These facilities could perfectly get rid of the gain dispersion. Outputs of the 16 pixels will be summed on both high gain and low gain so that only two signals are delivered to the acquisition system that follows. A trigger function will also generate a trigger signal to the acquisition system. The choice was made to realize this ASIC according to the rules of the AMS 0.35um BiCMOS technology. Simulation shows a linearly-covered dynamic range up to 2000 photoelectrons with good signal to noise ratio that allows the measurement of the single photoelectron. Laboratory tests confirm a great part of these results.

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