[논문 리뷰] TARGET: toward a solution for the readout electronics of the Cherenkov Telescope Array

L. Tibaldo, J. Vandenbroucke외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 캐러비언 망원경 어레이(CTA)의 캐러비언 망원경 카메라에서 고속, 저노이즈 읽기 기록을 위한 애플리케이션 특화 통합회로(ASIC)인 TARGET를 제시한다. 이 ASIC는 최대 1 GSample/s에서 16채널 동시 샘플링을 가능하게 하며, 깊은 내장 버퍼링과 4개의 인접한 픽셀을 위한 통합 트리거 논리를 내장하여 높은 감도와 낮은 비용을 실현한다. 최신 세대인 TARGET C와 동반하는 CCTV ASIC는 샘플링과 트리거를 분리하여 신호 커플링 문제를 해결하고, 트리거 해상도를 4.5 mV로 향상시키며 노이즈를 0.5 mV로 낮춘다.

ABSTRACT

TARGET is an application specific integrated circuit (ASIC) designed to read out signals recorded by the photosensors in cameras of very-high-energy gamma-ray telescopes exploiting the imaging of Cherenkov radiation from atmospheric showers. TARGET capabilities include sampling at a high rate (typically 1 GSample/s), digitization, and triggering on the sum of four adjacent pixels. The small size, large number of channels read out per ASIC (16), low cost per channel, and deep buffer for trigger latency (~16 $μ$s at 1 GSample/s) make TARGET ideally suited for the readout in systems with a large number of telescopes instrumented with compact photosensors like multi-anode or silicon photomultipliers combined with dual-mirror optics. The possible advantages of such systems are better sensitivity, a larger field of view, and improved angular resolution. The two latest generations of TARGET ASICs, TARGET 5 and TARGET 7, are soon to be used for the first time in two prototypes of small-sized and medium-sized dual-mirror telescopes proposed in the framework of the Cherenkov Telescope Array (CTA) project. In this contribution we report on the performance of the TARGET ASICs and discuss future developments.

연구 동기 및 목표

• 캐러비언 망원경 어레이(CTA)의 이미징 대기권 캐러비언 망원경을 위한 저비용, 고밀도, 신뢰성 높은 읽기 솔루션을 개발하기 위해.
• 기판 커플링으로 인한 성능 저하 없이 단일 ASIC에서 고대역폭 신호 샘플링과 트리거 생성을 통합하는 데 도전하는 것.
• 차세대 ASIC에서 샘플링과 트리거 기능을 분리함으로써 감도와 다이나믹 레인지 향상을 달성하기 위해 트리거 성능을 향상시키기 위해.
• 개선된 각도 해상도와 시야를 갖춘 컴act, 다중 애노드 또는 실리콘 포토멀티플라이어 기반 카메라 시스템을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• TARGET ASIC는 최대 1 GSample/s에서 지속적인 고속 샘플링을 가능하게 하는 펭귄-포지션 샘플링 아키텍처를 사용하며, 채널당 2개의 그룹으로 구성된 32개의 저장 셀을 갖춘다.
• 각 ASIC는 16개의 광검출기 채널을 동시에 처리하며, 나중에 디지타이징하기 위해 채널당 16,384개의 샘플을 내장 아날로그 버퍼링한다.
• 위크필린 ADC는 모든 16개 채널을 통해 32개의 샘플을 동시에 디지타이징하여, 0.4에서 1 GSa/s까지 설정 가능한 샘플링 속도로 빠르고 병렬적인 읽기 기록을 가능하게 한다.
• 트리거 논리는 실시간으로 4개의 인접한 픽셀 신호를 합산하고, 고수준 제어 논리로 LVDS 신호를 출력하여 효율적인 이벤트 선택을 가능하게 한다.
• 새로운 TARGET C와 CCTV ASIC는 샘플링/디지타이징(TARGET C)과 트리거(CCTV)를 분리하여 기판 커플링을 감소시키고 트리거 성능을 향상시킨다.
• 구성은 직렬-병렬 인터페이스를 통해 관리되며, 제어 및 데이터 수집을 위한 FPGA 통합을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차세대 캐러비언 망원경의 엄격한 읽기 요구사항을 충족시키기 위해 고채널 밀도, 저비용 ASIC를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 특히 기판 커플링으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있는 단일 ASIC에 샘플링과 트리거를 통합할 경우의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 샘플링과 트리거 기능을 별도의 ASIC로 분리함으로써 트리거 해상도와 노이즈 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 새로운 TARGET C와 CCTV ASIC는 TARGET 5와 TARGET 7에서 관찰된 신호 커플링 문제를 어느 정도 해결하는가?
• RQ5 단일 광전자 감지에 대해 최신 ASIC 세대에서 다이나믹 레인지, 선형성, 전하 해상도 향상은 어느 정도 달성될 수 있는가?

주요 결과

• TARGET 5와 TARGET 7는 10 p.e.에서 4%의 전하 해상도를 달성하고 고신호 수준(>100 p.e.)에서 0.8% 미만을 기록하여 뛰어난 선형성과 정밀도를 입증한다.
• TARGET 7의 트리거 임계치는 샘플링 클록과 트리거 회로 간의 기판 커플링으로 인해 50 mV로 제한되며, 신호 무결성 향상에도 불구하고 여전히 제한된다.
• 새로운 TARGET C ASIC는 동기 카운터를 통해 디지타이징 속도를 향상시키고, 디지타이저 기준 전압을 접지함으로써 노이즈를 감소시켜 최소 1.9 V의 다이나믹 레인지 성능을 달성한다.
• 동반 트리거 ASIC인 CCTV는 최소 4.5 mV의 트리거 임계치와 0.5 mV의 트리거 노이즈를 기록하며, 샘플링 기능이 비활성화된 TARGET 5의 성능을 그대로 유지한다.
• TARGET C와 CCTV에서 샘플링과 트리거를 분리함으로써 기판 커플링이 완전히 제거되어 TARGET 7 대비 트리거 노이즈가 10배 감소한다.
• 시스템은 1 GSample/s에서 16채널 동시 처리와 16,384개 샘플 버퍼 깊이를 지원하며, 16 µs의 트리거 지연을 제공하여 고처리량 이벤트 선택에 적합하다.