Development of Pixelated LAr-TPC cryogenic electronics - PowerPoint PPT Presentation

Development ¡of ¡ Pixelated ¡LAr-­‑TPC ¡cryogenic ¡electronics ¡ ¡ Dan ¡Dwyer ¡(LBNL) ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡

Wire ¡Signal ¡Ambiguity ¡ 2-­‑D ¡charge ¡distribu?on ¡(at ¡fixed ¡?me) ¡can ¡be ¡ambiguous ¡ ¡ Example: ¡3 ¡GeV ¡electron ¡neutrino ¡charged-­‑current ¡interacKon ¡in ¡liquid ¡argon. ¡ True ¡2-­‑D ¡charge ¡distribuKon ¡ EsKmated ¡2-­‑D ¡charge ¡distribuKon ¡ ¡ ¡ When ¡tracks/showers ¡parallel ¡to ¡anode ¡plane, ¡all ¡wire ¡signals ¡are ¡simultaneous. ¡ For ¡impact ¡on ¡Far ¡Detectors, ¡see ¡talk ¡a ¡previous ¡DUNE ¡Collab ¡Mee:ng ¡by ¡C. ¡Zhang. ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 2 ¡

MoKvaKon: ¡Fight ¡Pile-­‑up ¡ DUNE ¡Near ¡Detector: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡High-­‑rate ¡environment ¡overwhelms ¡wire ¡readout ¡technique. ¡ Example ¡simulaKon ¡ of ¡neutrino ¡pile-­‑up ¡ for ¡a ¡single ¡neutrino ¡ beam ¡pulse. ¡ ¡ Each ¡color ¡represents ¡ a ¡separate ¡neutrino ¡ ¡ interacKon. ¡ ¡ Signal-­‑only ¡simulaKon. ¡ Background ¡rate ¡of ¡ similar ¡order. ¡ 2-­‑D ¡pixel ¡readout ¡would ¡overcome ¡LAr ¡near ¡detector ¡pile-­‑up ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 3 ¡

Pixel ¡Sensor ¡Development ¡ LHEP ¡group ¡at ¡Univ. ¡of ¡Bern ¡/ ¡ArgonCUBE: ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Demonstrated ¡pixel ¡sensor ¡in ¡LAr ¡(Summer ¡2016) ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Need ¡low-­‑power ¡electronics ¡for ¡large-­‑scale ¡feasibility ¡ Pixel ¡spacing: ¡3mm ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 4 ¡

LARPIX: ¡IC ¡Development ¡ ¡ LBNL ¡IC ¡Group ¡completed ¡a ¡design ¡study ¡for ¡pixel ¡readout ¡IC ¡ Design ¡Study ¡Scope: ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Requirements ¡focused ¡on ¡simplified ¡first-­‑generaKon ¡prototype ¡ ¡ ¡-­‑ ¡CriKcal ¡to ¡keep ¡IC ¡as ¡simple ¡as ¡possible ¡in ¡order ¡to ¡ensure ¡success ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Goals ¡of ¡first-­‑generaKon ¡prototype: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1) ¡Demonstrate ¡low-­‑noise ¡low-­‑power ¡cryogenic ¡amplifier ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2) ¡Demonstrate ¡MIP-­‑track ¡detecKon ¡capability ¡in ¡test ¡TPC ¡ ¡ ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 5 ¡

Requirements ¡ Extensive ¡discussions ¡focused ¡on ¡minimizing ¡IC ¡requirements ¡ Requirements: ¡ ¡ ¡ Goal ¡1: ¡Amplifier ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Noise: ¡SNR ¡of ¡9 ¡to ¡1 ¡for ¡MIP ¡signals ¡(~15k ¡e-­‑ ¡for ¡3 ¡mm ¡pitch) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡<1600 ¡electron-­‑noise ¡equivalent ¡(ENC) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Power: ¡Cannot ¡significantly ¡exceed ¡exisKng ¡heat ¡load ¡on ¡cryostat ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡<50 ¡μW ¡per ¡channel ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Detector ¡Capacitance: ¡abached ¡to ¡few-­‑cm ¡PCB ¡trace ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡~4 ¡pF ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Number ¡of ¡Channels: ¡Minimize ¡system ¡complexity, ¡cabling ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡>= ¡16 ¡channels ¡/ ¡chip ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 6 ¡

Requirements ¡ Requirements: ¡ ¡ ¡ Goal ¡2: ¡MIP-­‑track ¡detec?on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡MIP ¡track ¡detecKon ¡in ¡test ¡TPC ¡requires ¡mulK-­‑channel ¡(>100) ¡operaKon. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Requires ¡mulKplexing ¡of ¡some ¡form; ¡sebled ¡on ¡digital ¡mulKplexing. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ADC ¡LSB: ¡DigiKzaKon ¡noise ¡< ¡amplifier ¡noise ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡LSB ¡~= ¡1600 ¡electron-­‑noise ¡equivalent ¡(ENC) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ADC ¡Range: ¡Must ¡be ¡greater ¡than ¡expected ¡MIP ¡signal ¡(~15k ¡e-­‑) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6-­‑bit ¡range ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ADC ¡Time-­‑resolu?on: ¡Equal ¡or ¡beber ¡than ¡spaKal ¡resoluKon ¡(3 ¡mm) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡– ¡4.5 ¡μs ¡(adjustable) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Burst ¡handling: ¡ADC ¡cannot ¡have ¡any ¡deadKme ¡during ¡full ¡drii ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡>= ¡1500 ¡digiKzaKons ¡ ¡(>=3 ¡ms) ¡memory ¡buffering ¡per ¡channel ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Mul?plexing: ¡At ¡most ¡~10’s ¡of ¡signal ¡feedthroughs ¡available ¡on ¡cryostat ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Serial ¡mulKplex ¡all ¡signals ¡on ¡chip ¡via ¡single ¡output ¡wire ¡ Note: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Digital ¡prototype ¡circuit ¡is ¡not ¡required ¡to ¡meet ¡power ¡constraints. ¡ ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 7 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Design ¡Study ¡Layout ¡ Re-­‑use ¡of ¡exis?ng ¡IC ¡design ¡components ¡allowed ¡quick ¡study ¡ RESET C CONVERT Digital ¡ SERIAL_OUT DATA[5:0] Qin 6-­‑b ¡ADC CSA Control (from ¡detector) All ¡channels ¡in ¡chip ¡ ¡ HIT share ¡common ¡digital ¡ control ¡and ¡single ¡ ¡ STROBE serial ¡output ¡line. ¡ THRESHOLD[5:0] 6-­‑b ¡DAC Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 8 ¡

Circuit ¡Diagrams ¡ Folded-­‑cascode ¡Charge-­‑Sensi?ve ¡Amplifier ¡ Latching ¡Discriminator ¡ VDDA VDD MP10 biasp MPLOADP MP3 MP6 MP7 MP8 MP9 MP5 MP4 MN9 MN4 MPCASCP MN6 MN8 biasc MN5 VON VOP MN7 CFB VDD Vop STROBE MP0 MP1 STROBE Qin MNINP VIP VIN biasn MN0 MN1 MNLOADN VSSA MN3 STROBE Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 9 ¡

Circuit ¡Diagrams ¡ Successive ¡Approxima?on ¡(SAR) ¡ADC: ¡conceptual ¡block ¡diagram ¡ DIGITAL_OUT<5:0> VREF VDAC 6-­‑b ¡DAC DATA VALID SAR ¡ Logic DEC START ¡ VIN STROBE Single ¡discriminator ¡is ¡the ¡only ¡analog ¡component. ¡ EnKre ¡circuit ¡only ¡consumes ¡power ¡while ¡digiKzing. ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 10 ¡

Design ¡Study ¡Conclusions ¡ Results ¡are ¡posi?ve ¡(~30 ¡pg ¡report): ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ System ¡Layout: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Transistor-­‑level ¡diagrams ¡outlined ¡and ¡simulated, ¡TSMC ¡180 ¡nm ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Charge-­‑sensi?ve ¡amplifier: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡EsKmated ¡Noise: ¡795 ¡e-­‑ ¡(ENC) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Given ¡low-­‑capacitance ¡of ¡detector, ¡no ¡shaping ¡amplifier ¡required ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Average ¡Power: ¡~25 ¡μW ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Discriminator: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Simple ¡latching ¡design ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡MoKvaKon: ¡Dissipates ¡no ¡staKc ¡power ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Average ¡Power: ¡~2 ¡nW ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ADC: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡EsKmated ¡Noise ¡(w/amplifier ¡noise): ¡820 ¡e-­‑ ¡(ENC) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡AcKvated ¡by ¡external ¡digiKzer, ¡dissipates ¡no ¡staKc ¡power ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Average ¡Power: ¡0.54 ¡μW ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 11 ¡

LBNL ¡LAr-­‑TPC ¡Test ¡System ¡ Plan ¡to ¡build ¡local ¡test ¡system ¡for ¡readout ¡characteriza?on ¡ Test ¡TPC+sensor ¡provided ¡ ¡ We ¡plan ¡to ¡provide: ¡ by ¡LHEP ¡group ¡ ¡ ¡1) ¡25-­‑liter ¡high-­‑purity ¡LAr ¡environment: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Cryostat ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡LAr ¡cooling, ¡purificaKon, ¡recirculaKon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Monitoring ¡instrumentaKon ¡ ¡ ¡ ¡2) ¡Prototype ¡readout ¡electronics ¡ ¡ Approach: ¡ -­‑ ¡Design ¡based ¡on ¡exisKng ¡small ¡systems ¡at ¡ ¡ ¡ ¡Bern, ¡UTA, ¡LBNL ¡(LUX, ¡LZ), ¡BNL ¡ ¡ Example: ¡ arXiv:1602.01884 ¡ Jan. ¡22, ¡2017 ¡ LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 12 ¡