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Entwicklung eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers zur Auslese von Lawinenfotodioden

  • Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung sowie Messung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl.: Application Specific Integrated Circuit, ASIC). Sie dient der Auslese der im elektromagnetischen Kalorimeter des PANDA-Experiments eingesetzten Lawinenfotodioden. Jeder Auslesekanal beinhaltet in der Eingangsstufe einen ladungsempfindlichen Vorverstärker, gefolgt von einem Pulsformer sowie zwei Ausgangstreibern. Am Beginn der Entwicklung steht die Machbarkeitsstudie einer integrierten Ausleseelektronik, welche die anspruchsvollen Anforderungen des PANDA-Experiments erfüllt. Aus rauschtheoretischen Untersuchungen resultieren erste Entwurfsparameter für die Schaltung, die mit Hilfe umfangreicher Simulationen verbessert und ergänzt werden. Die technische Umsetzung der Schaltung erfolgt in einem 0,35 Micrometer-CMOS-Prozess der Firma Austria Mikrosysteme. Die Charakterisierung der integrierten Ausleseelektronik ergibt bei einer Umgebungstemperatur von T = - 20° C eine Shapingzeit des Signalpulses von tr = (124 ± 2) ns. Mit dem äquivalenten Rauschwert von ENC = (4456 ± 35) e- und einer maximal möglichen Eingangsladung von 7,84 pC folgt ein dynamischer Bereich von über 10 000. Der ratenunabhängige Leistungsbedarf eines einzelnen Auslesekanals beträgt P = (52, 4 ± 0, 2)mW. Damit erfüllt der in dieser Arbeit beschriebene ASIC Prototyp alle Anforderungen, die vom Experiment an die Ausleseelektronik gestellt werden.
  • This dissertation describes the development, assembling as well as the following characterisation and measurements of the application specific integrated circuit (ASIC) for the readout of the avalanche photodiodes which will be used in the electromagnetic calorimeter of the PANDA experiment. Every readout channel consists of a charge sensitive amplifier, a shaper stage and two output drivers. The development starts with studies of the feasibility of the integrated circuit. It is evaluated by means of the noise theory to decide whether the circuit fulfills the demanding requirements of the PANDA experiment. From this evaluation point first design parameters results for the circuit and are improved and completed by extensive simulations. The technical implementation of the circuit design is realized in the 0.35 micrometer CMOS process by Austria Microsystems. The characterisation of the integrated circuit at a temperature of T = - 20° C results in a shaping time of tr = (124 ± 2) ns. With an equivalent noise charge of ENC = (4456 ± 35) e- and a maximum input charge of 7.84 pC a dynamic range of over 10 000 follows. The event rate independent power requirement of one readout channel is measured to P = (52.4 ± 0.2)mW. The designed ASIC prototype fulfills all specifications required by the experiment readout electronic. Especially the results for the equivalent noise charge are distinguished as well as the large dynamic range the chip presents.

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Metadaten
Author:Peter Wieczorek
URN:urn:nbn:de:hebis:30-62796
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Klaus Peters, Joachim Stroh
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/03/13
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/03/10
Release Date:2009/03/13
Page Number:132
HeBIS-PPN:21014792X
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht