[论文解读] TARGET: toward a solution for the readout electronics of the Cherenkov Telescope Array

L. Tibaldo, J. Vandenbroucke+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出TARGET，一种专用于切伦科夫望远镜阵列（CTA）中切伦科夫望远镜相机的高速、低噪声读出的专用集成电路（ASIC）。它支持最高1 GSa/s的16通道并行采样，具备深度片上缓冲和四邻近像素的集成触发逻辑，实现高灵敏度与低成本。最新一代TARGET C与配套CCTV ASIC通过解耦采样与触发功能，克服了信号串扰问题，将触发分辨率提升至4.5 mV，噪声降低至0.5 mV。

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.

研究动机与目标

• 为切伦科夫望远镜阵列（CTA）中的成像大气切伦科夫望远镜开发一种低成本、高密度且可靠的读出解决方案。
• 解决在单个ASIC中集成高带宽信号采样与触发生成时，因衬底耦合导致性能退化的问题。
• 通过下一代ASIC中分离采样与触发功能，提升触发性能，增强灵敏度与动态范围。
• 实现紧凑型多阳极或硅光电倍增管（SiPM）基相机系统，提升角分辨率与视场。

提出的方法

• TARGET ASIC采用乒乓采样架构，每通道配备两组32个存储单元，支持最高1 GSa/s的连续高速采样。
• 每个ASIC并行处理16个光探测器通道，片上模拟缓冲存储每通道16,384个样本，供后续数字化。
• 采用Wilkinson ADC同时对所有16个通道的32个样本进行数字化，实现高速并行读出，采样率可配置为0.4至1 GSa/s。
• 触发逻辑实时累加四个相邻像素的信号，并输出LVDS信号至上层控制逻辑，实现高效的事件选择。
• 新型TARGET C与CCTV ASIC将采样/数字化（TARGET C）与触发（CCTV）功能分离，减少衬底耦合，提升触发性能。
• 通过串行-并行接口进行配置，系统支持与FPGA集成，用于控制与数据采集。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种高通道密度、低成本的ASIC，以满足下一代切伦科夫望远镜的严苛读出需求？
• RQ2 在单个ASIC中集成采样与触发功能时，其性能限制是什么，特别是由衬底耦合引起的问题？
• RQ3 将采样与触发功能分离于不同ASIC中，是否能显著改善触发分辨率与噪声性能？
• RQ4 TARGET C与CCTV ASIC在多大程度上解决了TARGET 5与TARGET 7中观察到的信号串扰问题？
• RQ5 在最新一代ASIC中，单光电子探测的动态范围、线性度与电荷分辨率可实现哪些改进？

主要发现

• TARGET 5与TARGET 7在10 p.e.时电荷分辨率可达4%，在高信号电平（>100 p.e.）时低于0.8%，表现出优异的线性度与精度。
• 尽管信号完整性有所改善，TARGET 7的触发阈值仍受限于50 mV，这是由于采样时钟与触发电路之间的衬底耦合所致。
• 新型TARGET C ASIC通过同步计数器提升数字化速度，并通过接地数字化参考电压降低噪声，实现至少1.9 V的动态范围。
• 作为配套触发ASIC的CCTV，实现最低4.5 mV的触发阈值与0.5 mV的触发噪声，性能与关闭采样功能的TARGET 5相当。
• TARGET C与CCTV中采样与触发的分离消除了衬底耦合，使触发噪声相比TARGET 7降低10倍。
• 系统支持16通道并行处理，1 GSample/s下缓冲深度达16,384样本，实现16 µs的触发延迟，适用于高吞吐量事件选择。