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

Dan ¡Dwyer ¡(LBNL) ¡

• Jan. ¡22, ¡2017 ¡

Development ¡of ¡ Pixelated ¡LAr-­‑TPC ¡cryogenic ¡electronics ¡ ¡

Wire ¡Signal ¡Ambiguity ¡

• Jan. ¡22, ¡2017 ¡

LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 2 ¡

2-­‑D ¡charge ¡distribu?on ¡(at ¡fixed ¡?me) ¡can ¡be ¡ambiguous ¡

¡ EsKmated ¡2-­‑D ¡charge ¡distribuKon ¡ ¡ True ¡2-­‑D ¡charge ¡distribuKon ¡ ¡

Example: ¡3 ¡GeV ¡electron ¡neutrino ¡charged-­‑current ¡interacKon ¡in ¡liquid ¡argon. ¡

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. ¡

MoKvaKon: ¡Fight ¡Pile-­‑up ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 3 ¡

2-­‑D ¡pixel ¡readout ¡would ¡overcome ¡LAr ¡near ¡detector ¡pile-­‑up ¡ DUNE ¡Near ¡Detector: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡High-­‑rate ¡environment ¡overwhelms ¡wire ¡readout ¡technique. ¡

Example ¡simulaKon ¡

• f ¡neutrino ¡pile-­‑up ¡

for ¡a ¡single ¡neutrino ¡ beam ¡pulse. ¡ ¡ Each ¡color ¡represents ¡ a ¡separate ¡neutrino ¡ ¡

• interacKon. ¡

¡ Signal-­‑only ¡simulaKon. ¡ Background ¡rate ¡of ¡ similar ¡order. ¡

Pixel ¡Sensor ¡Development ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 4 ¡

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 ¡

LARPIX: ¡IC ¡Development ¡ ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 5 ¡

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 ¡ ¡

¡

Requirements ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 6 ¡

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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Requirements ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 7 ¡

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. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Design ¡Study ¡Layout ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 8 ¡

RESET CSA Qin (from ¡detector) C

Digital ¡ Control

6-­‑b ¡ADC 6-­‑b ¡DAC

CONVERT HIT THRESHOLD[5:0] DATA[5:0] SERIAL_OUT STROBE

All ¡channels ¡in ¡chip ¡ ¡ share ¡common ¡digital ¡ control ¡and ¡single ¡ ¡ serial ¡output ¡line. ¡

Re-­‑use ¡of ¡exis?ng ¡IC ¡design ¡components ¡allowed ¡quick ¡study ¡

Circuit ¡Diagrams ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 9 ¡

MNLOADN VSSA biasn Qin MNINP VDDA biasc MPCASCP MPLOADP Vop biasp CFB

Folded-­‑cascode ¡Charge-­‑Sensi?ve ¡Amplifier ¡

STROBE VIP MN0 VDD MP0 VIN STROBE MN1 MN3 STROBE MP1 VDD VOP VON MP3 MP4 MP5 MP6 MP7 MP8 MP9 MP10 MN4 MN5 MN6 MN7 MN8 MN9

Latching ¡Discriminator ¡

Circuit ¡Diagrams ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 10 ¡

Successive ¡Approxima?on ¡(SAR) ¡ADC: ¡conceptual ¡block ¡diagram ¡

SAR ¡ Logic

6-­‑b ¡DAC

DEC DIGITAL_OUT<5:0> STROBE VIN DATA VALID VREF VDAC START ¡

Single ¡discriminator ¡is ¡the ¡only ¡analog ¡component. ¡ EnKre ¡circuit ¡only ¡consumes ¡power ¡while ¡digiKzing. ¡

Design ¡Study ¡Conclusions ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 11 ¡

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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

LBNL ¡LAr-­‑TPC ¡Test ¡System ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 12 ¡

Plan ¡to ¡build ¡local ¡test ¡system ¡for ¡readout ¡characteriza?on ¡

Test ¡TPC+sensor ¡provided ¡ ¡ by ¡LHEP ¡group ¡ We ¡plan ¡to ¡provide: ¡ ¡ ¡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 ¡

Development ¡Plan ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 13 ¡

Pixel ¡IC ¡Development: ¡

¡

Jan. ¡ ¡Preliminary ¡design ¡study ¡(done) ¡ Feb. ¡ ¡System-­‑level ¡design, ¡finalize ¡specs, ¡Digital ¡front-­‑end ¡

• Mar. ¡

¡Digital ¡back-­‑end, ¡analog ¡design ¡ Apr. ¡ ¡Top-­‑level ¡design ¡(floorplanning, ¡rouKng, ¡verificaKon) ¡ May ¡ ¡(ConKngency) ¡ 24 ¡May ¡Begin ¡producKon ¡

• Aug. ¡

¡Prototype ¡ICs ¡arrive ¡at ¡LBNL ¡ ¡ ¡

Summary ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 14 ¡

LAr-­‑TPC ¡Module: ¡

¡ ¡ ¡Use ¡in ¡Near ¡Detector ¡System ¡hindered ¡by ¡ν ¡pile-­‑up ¡

¡

True ¡2-­‑D ¡charge ¡readout: ¡

¡ ¡ ¡Overcome ¡signal ¡ambiguiKes ¡from ¡pile-­‑up ¡at ¡near ¡site ¡

¡

IC ¡Design ¡Study: ¡

¡ ¡ ¡ ¡Suggests ¡route ¡to ¡overcome ¡main ¡obstacles ¡for ¡2-­‑D ¡readout ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(i.e. ¡power ¡consumpKon ¡vs. ¡noise ¡level). ¡

¡

Prototype ¡IC: ¡

¡ ¡ ¡ ¡Intend ¡to ¡produce ¡prototype ¡ICs ¡in ¡Summer ¡2017, ¡with ¡goal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡to ¡demonstrate ¡noise, ¡power ¡performance. ¡

Backup ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 15 ¡

Triggering ¡Methods ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 16 ¡

Consider ¡three ¡methods ¡of ¡triggering ¡and ¡readout: ¡

¡

1) ¡Channel ¡(self) ¡triggering: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡All ¡channels ¡always ¡on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡DigiKze ¡and ¡readout ¡whenever ¡channel ¡above ¡threshold ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Issue: ¡Unoccupied ¡channel ¡power ¡use ¡must ¡be ¡very ¡low. ¡

¡

Poten:al ¡fallbacks ¡if ¡power ¡use ¡is ¡too ¡high: ¡

¡

2) ¡Global ¡triggering: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Receive ¡external ¡trigger ¡from ¡beam ¡or ¡light-­‑detecKon ¡system ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Enable ¡all ¡channels ¡in ¡detector ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Collect ¡hits ¡and ¡readout ¡for ¡~10 ¡ms ¡

¡

3) ¡Region ¡triggering: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Use ¡inducKve ¡signal ¡to ¡detect ¡incoming ¡charge ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Enable ¡pixel ¡channels ¡O(100) ¡in ¡single ¡inducKve ¡region ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Collect ¡hits ¡and ¡readout ¡for ¡~10 ¡μs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Issue: ¡InducKve ¡signal ¡provides ¡very ¡lible ¡lead-­‑Kme ¡(~2 ¡μs), ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡difficult ¡to ¡‘wake-­‑up’ ¡pixel ¡this ¡quickly. ¡

Design ¡ConsideraKons ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 17 ¡

~12 ¡μW/pixel ¡(analog) ¡ Preliminary ¡calculaKon ¡assuming ¡ ¡ pixel ¡spacing ¡5mm ¡x ¡5mm ¡ ¡ Need ¡to ¡update ¡for ¡3mm ¡x ¡3mm ¡spacing. ¡ ¡

What ¡is ¡the ¡op?mal ¡number ¡of ¡pixels ¡per ¡ASIC? ¡

Increase ¡pixels ¡per ¡chip: ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Total ¡cost/area ¡decreases ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Total ¡power/area ¡increases ¡(due ¡to ¡capacitance) ¡

SimulaKon ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 18 ¡

CSA ¡

Noise ¡and ¡power ¡performance ¡of ¡CSA, ¡discriminator, ¡ADC ¡

Discriminator ¡ ADC ¡

Pixel ¡Signal ¡Modeling ¡

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LAr-­‑TPC ¡Pixel ¡Readout ¡Development ¡ 19 ¡

Implemented ¡3-­‑D ¡field ¡and ¡charge ¡dri_ ¡for ¡pixel ¡signal ¡modeling. ¡

Electron ¡Paths: ¡

¡ ¡Start ¡near ¡top ¡of ¡1-­‑cm ¡box, ¡ ¡ ¡along ¡z=0.5cm ¡‘slice’, ¡ ¡ ¡from ¡x=0.05cm ¡to ¡0.5cm ¡

¡

¡ ¡Propagate ¡in ¡e-­‑field ¡unKl ¡ ¡ ¡electron ¡strikes ¡surface. ¡

¡

Observa?ons: ¡

¡ ¡-­‑ ¡Three ¡paths ¡reach ¡pixel ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Two ¡paths ¡end ¡on ¡PCB ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Four ¡paths ¡reach ¡field ¡cage ¡

¡

¡ ¡Signals: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡<2 ¡us ¡long ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡e-­‑ ¡on ¡pixel: ¡Signal ¡area ¡similar ¡

¡

• ­‑> ¡Geometry ¡and ¡focusing ¡needs ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡to ¡be ¡refined. ¡