Développement d’un circuit de lecture pour un calorimètre électromagnétique ultra-granulaire

Design of a read-out chip for a high granularity electromagnetic calorimeter

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Cizel
• Direction : Rémi Cornat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire Leprince-Ringuet
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Imad Laktineh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Cornat, Eric Delagnes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guo Neng Lu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes PIN

Circuits électroniques -- Bruit

Calorimètres électromagnétiques

Systèmes analogiques

Mots clés libres

Circuits analogiques

Calorimètres électromagnétiques

Circuits électroniques – Bruit

Diodes PIN

Analog circuits

Electromagnetic calorimeter

Low noise

PIN Diodes

Résumé

Le travail réalisé lors de cette thèse s’inscrit dans le projet de création d’un calorimètre électromagnétique pour le futur International Linear Collider (ILC) au sein de la collaboration CALICE. Le calorimètre est dit ultra-granulaire du fait du grand nombre de pixels de détection : environ 82 millions dans le calorimètre final complet. C’est ce nombre élevé de détecteurs à lire qui a conduit au développement de circuits intégrés dédiés à cette tâche, l’usage d’électronique classique n’étant pas possible dans ce cas du fait de contraintes dimensionnelles. Les travaux démarrent par l’étude de la puce SKIROC2, développée par le laboratoire Omega, qui est l’état de l’art de l’ASIC de lecture pour ce projet. Les performances sur carte de test et dans l’environnement du détecteur ont été mesurées, ce qui a permis de tirer certaines conclusions sur les forces et les faiblesses de SKIROC2. Après cette étude, le travail a été le développement d’un nouvel ASIC de lecture se basant sur SKIROC2. L’objectif étant de préserver les forces de SKIROC2 tout en tentant d’en corriger les faiblesses. Le nouvel ASIC a été conçu dans une technologie tout juste disponible au moment de la conception. Il a donc tout fallu redessiner en repartant de zéro. Il s’agit en cela de building blocks plus que d’un véritable ASIC de lecture. Trois structures de préamplificateurs de charge ont été testées, l’architecture générale et le fonctionnement d’un canal de lecture étant largement inspirés de SKIROC2.

This work takes place in the design project of the electromagnetic calorimeter for the future International Linear Collider (ILC) within the CALICE collaboration. The final calorimeter will be made of 82 million of PIN diodes; this is where the term “high granularity” comes from. The need for a read-out ASIC is a consequence of this high number of detectors, knowing that the dimensions of the electromagnetic calorimeter are a big constraint: the standard electronics is not an option. This work starts from an existing ASIC called SKIROC2. This state-of-the-art read-out chip has been designed by the Omega laboratory, a member of the CALICE collaboration. The performances on testboard and in the detector environment have been measured. It allowed to conclude on the advantages and drawbacks of using SKIROC2 in the calorimeter. After that the focus has been made on the design of a new read-out chip based on SKIROC2. The main goal was to preserve the good performances of SKIROC2 while trying to correct the encountered issues. This new ASIC has been developped in a newly released technology available during the design phase. Therefore the design has been started from scratch. The final chip is composed of building blocks rather than a ready-to-use read-out chip. Three charge preamplifier designs have been tested, the general architecture of a read-out channel being largely inspired by SKIROC2.