A Low-Power Silicon-Photomultiplier Readout ASIC for the CALICE Analog Hadronic Calorimeter

Zhenxiong Yuan
2020
The future e + e − collider experiments, such as the international linear collider, provide precise measurements of the heavy bosons and serve as excellent tests of the underlying fundamental physics. To reconstruct these bosons with an unprecedented resolution from their multi-jet final states, a detector system employing the particle flow approach has been proposed, requesting calorimeters with imaging capabilities. The analog hadron calorimeter based on the SiPM-on-tile technology is one of
more » ... he highly granular candidates of the imaging calorimeters. To achieve the compactness, the silicon-photomultiplier (SiPM) readout electronics requires a low-power monolithic solution. This thesis presents the design of such an application-specific integrated circuit (ASIC) for the charge and timing readout of the SiPMs. The ASIC provides precise charge measurement over a large dynamic range with auto-triggering and local zero-suppression functionalities. The charge and timing information are digitized using channel-wise analog-to-digital and timeto-digital converters, providing a fully integrated solution for the SiPM readout. Dedicated to the analog hadron calorimeter, the power-pulsing technique is applied to the full chip to meet the stringent power consumption requirement. This work also initializes the commissioning of the calorimeter layer with the use of the designed ASIC. An automatic calibration procedure has been developed to optimized the configuration settings for the chip. The new calorimeter base unit with the designed ASIC has been produced and its functionality has been tested. Zusammenfassung Die zukünftigen Elektron-Positron-Collider-Experimente, wie der internationale Linearcollider, liefern präzise Messungen der schweren Bosonen und dienen als ausgezeichnete Tests der zugrunde liegenden fundamentalen Physik. Um diese Bosonen mit einer noch nie dagewesenen Auflösung aus ihren multi-jiet Endzuständen zu rekonstruieren, wurde ein Detektorsystem nach dem sogenannten Particleflow-Ansatz vorgeschlagen, wofür Kalorimeter mit bildgebenden Fähigkeiten benötigt werden. Das analoge Hadronkalorimeter, das auf der SiPM-on-tile-Technologie basiert, ist einer der hochgranularen Kandidaten der abbildenden Kalorimeter. Um die Kompaktheit zu erreichen, erfordert die Ausleseelektronik des Silizium-Photomultipliers (SiPM) eine monolithische Lösung mit geringem Stromverbrauch. Diese Arbeit stellt den Entwurf eines solchen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) für die Ladungs-und Zeitauslesung der SiPMs vor. Der ASIC bietet eine präzise Ladungsmessung über einen großen dynamischen Bereich mit Autotriggerung und lokalen Nullunterdrückungsfunktionen. Die Ladungs-und Timing-Informationen werden mit kanalweisen Analog-Digital-und Zeit-Digital-Wandlern digitalisiert, wodurch eine vollständig integrierte Lösung für die SiPM-Auslese bereitgestellt wird. Die für das analoge Hadronkalorimeter implementierte Powerpulsing-Technologie wird auf dem gesamten Chip angewandt, um die strengen Anforderungen an den Stromverbrauch zu erfüllen. Diese Arbeit beschreibt auch die Inbetriebnahme einer Kalorimeterschicht unter Verwendung des entworfenen ASIC. Es wurde ein automatisches Kalibrierverfahren entwickelt, um die Konfigurationseinstellungen für den Chip zu optimieren. Die neue Kalorimeter-Basiseinheit mit dem entworfenen ASIC wurde hergestellt und ihre Funktionalität wurde getestet. Conclusion
doi:10.11588/heidok.00028659 fatcat:2t4xijsz45clzeffdaocclygdi