[论文解读] The Sparse Readout RIGEL Application Specific Integrated Circuit for Pixel Silicon Drift Detectors in Soft X-Ray Imaging Space Applications

Massimo Gandola, M. Grassi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出RIGEL，一种专为软X射线空间任务中硅像素漂移探测器（PixDD）的稀疏读出而设计的低功耗128通道专用集成电路（ASIC）。该ASIC在0°C下实现1.8 µs峰值时间时，能量分辨率高达167 eV FWHM（5.9 keV），支持室温下运行，具备优异的噪声性能和能量线性度，对紧凑型宇宙X射线源研究至关重要。

ABSTRACT

An Application Specific Integrated Circuit (ASIC), called RIGEL, designed for the sparse readout of a Silicon Pixel Drift Detector (PixDD) for space applications is presented.The low leakage current (less than 1 pA at +20 {\deg}C) and anode capacitance (less than 40 fF) of each pixel (300 um x 300 um) of the detector, combined with a low-noise electronics readout, allow to reach a high spectroscopic resolution performance even at room temperature. The RIGEL ASIC front-end architecture is composed by a 2-D matrix of 128 readout pixel cells (RPCs), arranged to host, in a 300 um-sided square area, a central octagonal pad (for the PixDD anode bump-bonding), and the full-analog processing chain, providing a full-shaped and stretched signal. In the chip periphery, the back-end electronics features 16 integrated 10-bits Wilkinson ADCs, the configuration register and a trigger management circuit. The characterization of a single RPC has been carried out whose features are: eight selectable peaking times from 0.5 us to 5 us, an input charge range equivalent to 30 keV, and a power consumption of less than 550 uW per channel. The RPC has been tested also with a 4x4 prototype PixDD and 167 eV Full Width at Half Maximum (FWHM) at the 5.9 keV line of 55Fe at 0{\deg}C and 1.8 us of peaking time has been measured.

研究动机与目标

• 开发一种用于空间软X射线成像中硅像素漂移探测器稀疏读出的低功耗、高性能ASIC。
• 克服现有探测器需冷却、死时间长且易受堆积影响的局限性。
• 通过最小化前端电子器件中的噪声和漏电流，实现在室温下接近法诺极限的能量分辨率。
• 实现快速、异步的光子探测，具备可调峰值时间和阈值，以提升时间分辨率和能量分辨率。
• 在芯片上集成完整的模拟信号处理与模数转换功能，以降低系统复杂度和杂散电容。

提出的方法

• RIGEL ASIC采用0.35 µm CMOS工艺制造，包含一个128个读出像素单元（RPC）的二维阵列，每个RPC具有300 µm × 300 µm的面积，中心设有八边形输入焊盘，用于与PixDD阳极进行倒装焊连接。
• 每个RPC包括电荷灵敏放大器（CSA）、极点零点补偿、CR整形电路，以及一个具有八种可选峰值时间（0.5–5.0 µs）的准高斯整形器，通过可切换电容实现。
• 峰值拉伸电路延长整形脉冲的持续时间，以提升时间分辨率和触发效率。
• 后端包含16个Wilkinson模数转换器（ADC）、配置寄存器、触发逻辑和用于独立测试单个RPC的探测网络，且不影响其他单元。
• 系统采用全局粗阈值（500 eV–3 keV）和本地4位DAC精细调节（±30%）实现能量选择性光子探测。
• ASIC每通道功耗不超过550 µW，在5 pA输入电流下等效噪声电荷为8 e− rms。

实验结果

研究问题

• RQ1 低功耗、片上模拟前端能否在室温下实现软X射线探测中的法诺极限能量分辨率？
• RQ2 在真实PixDD系统中，RIGEL ASIC的性能如何随峰值时间和温度变化？
• RQ3 PixDD中低漏电流与低输入电容的结合，在无需低温冷却的情况下，能在多大程度上实现高分辨率能谱测量？
• RQ4 当与PixDD集成时，RIGEL ASIC完整模拟信号链的可实现能量分辨率和线性度如何？
• RQ5 具有可调阈值和峰值拉伸功能的稀疏读出架构，能否实现对低通量X射线源的高效、高吞吐量探测？

主要发现

• 当在0°C下以1.8 µs峰值时间运行时，RIGEL ASIC在55Fe的5.9 keV特征峰处实现了167 eV FWHM的能谱分辨率。
• 在室温（20°C）下，测得5.9 keV处的能量分辨率为181 eV FWHM，对应等效噪声电荷为14.2 e− rms。
• RPC的线性度误差在3 keV至30 keV输入能量范围内测量值为≤±2.7%。
• 噪声阈值经实验校准，范围约为600 eV至3 keV，结合全局粗调与本地4位DAC精细调节。
• 系统每通道功耗低于550 µW，输入电荷范围等效于30 keV。
• 探测网络实现了对单个RPC的独立测试，包括信号整形、拉伸和ADC输入强制，确认了完整功能与电气隔离。