[论文解读] Analog pile-up circuit technique using a single capacitor for the readout of Skipper-CCD detectors

M. Sofo Haro, Claudio Chavez+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文提出了一种模拟读出电路 Skipper-CDS，该电路在双斜率积分器（DSI）中仅使用一个电容，即可累积来自 Skipper-CCD 探测器的多个非破坏性采样，实现亚电子噪声读出。通过利用 DSI 电容同时完成积分与采样堆积，该电路在平均 400 个采样后实现了 0.2 e⁻ RMS/像素的读出噪声，显著降低了大规模探测器的系统复杂度和采样需求。

ABSTRACT

With Skipper-CCD detectors it is possible to take multiple samples of the charge packet collected on each pixel. After averaging the samples, the noise can be extremely reduced allowing the exact counting of electrons per pixel. In this work we present an analog circuit that, with a minimum number of components, applies a double slope integration (DSI), and at the same time, it averages the multiple samples producing at its output the pixel value with sub-electron noise. For this prupose, we introduce the technique of using the DSI integrator capacitor to add the skipper samples. An experimental verification using discrete components is presented, together with an analysis of its noise sources and limitations. After averaging 400 samples it was possible reach a readout noise of 0.2\,$e^-_{RMS}/pix$, comparable to other available readout systems. Due to its simplicity and significant reduction of the sampling requirements, this circuit technique is of particular interest in particle experiments and cameras with a high density of Skipper-CCDs.

研究动机与目标

• 开发一种适用于暗物质与中微子实验中 Skipper-CCD 探测器的低复杂度、可扩展的模拟读出系统。
• 通过最小化元器件数量与数字处理量，减轻多像素、高密度 Skipper-CCD 阵列中的采样与处理负担。
• 通过模拟积分与多个非破坏性采样的平均处理，实现亚电子噪声性能。
• 解决基于数字的读出系统所面临的局限，如高成本、可扩展性差以及大规模实验中对放射纯度的限制。

提出的方法

• Skipper-CDS 电路采用单个运算放大器与单个积分电容（C）构成双斜率积分器（DSI）结构，实现相关双采样（CDS）与采样平均的同步处理。
• 通过在连续积分周期内切换输入至基线电平与信号电平，利用 DSI 电容累积多个 Skipper 采样。
• 电路采用双斜率积分技术，计算基线与信号阶段积分结果的差值，有效抑制复位噪声与白噪声。
• 输出电压与每个像素的平均电荷成正比，采样数（𝑁𝑠𝑘𝑝）通过 √𝑁𝑠𝑘𝑝 的缩放关系决定噪声降低程度。
• 通过优化电容值、前置放大器增益与 RC 时间常数，最小化运算放大器、开关与漏电流带来的噪声贡献。
• 通过离散元件搭建实验平台，测量了不同采样数（1 至 400）下的噪声性能，并与数字 LTA 系统进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在一个 DSI 结构中仅使用一个电容，同时完成积分与多个 Skipper 采样的累积，从而消除对独立平均电路的需求？
• RQ2 此类简化的模拟架构在应用于 Skipper-CCD 探测器时，可实现的读出噪声性能如何？
• RQ3 开关与电容自身的漏电流在多大程度上限制了可平均采样数的上限，而不会造成显著的信号衰减？
• RQ4 前置放大器增益与电容值在多大程度上可被优化，以降低运算放大器与开关噪声的影响？
• RQ5 该电路设计在扩展至含数千个 Skipper-CCD 的多像素系统时，是否可作为基于数字的读出系统的一种低成本、低复杂度的替代方案？

主要发现

• Skipper-CDS 电路在平均 400 个 Skipper 采样后，实现了 0.2 e⁻ RMS/像素的读出噪声，证明了其具备亚电子噪声性能。
• 噪声性能主要受限于复位开关（SW_RST）的漏电流，其导致信号衰减并贡献于测得的噪声底限。
• ADC 噪声底限测量为 7 ADU（相当于单次采样下约 0.32 e⁻），且不随采样数变化，确认其未因平均处理而降低。
• 最大采样数受电容漏电与开关漏电限制，当漏电流为 0.01 nA 时，理论信号衰减时间约为 4.5 ms。
• 像素读出时间（17.4 ms，其中 9.4 ms 用于电荷转移）远超积分时间，限制了高速运行下的有效采样数。
• 该电路结构极为简洁，仅需一个电容与极少元器件，因此非常适用于大规模 Skipper-CCD 阵列中的可扩展、低成本、高放射纯度读出系统。