Kaplon 2016: Amplifier Design for the Higgs Boson Search
来源 : J. Kaplon, W. Snoeys, “Amplifier Design for the Higgs Boson Search,” in Efficient Sensor Interfaces, Advanced Amplifiers and Low Power RF Systems (AACD 2015), Springer, 2016, pp. 201–224.
基本信息
项目 内容 作者 Jan Kaplon, Walter Snoeys (CERN) 应用 ATLAS/CMS 探测器前端放大器 环境 40 MHz 碰撞率、强辐射、1 fC 级电荷检测 背景 2012 年希格斯玻色子发现（2013 Nobel Prize: Englert, Higgs）
1. LHC 探测器系统
探测器分层结构 (ATLAS 示意图 Fig. 1)
层 作用 探测器类型 内层 (Tracker) 粒子径迹重建、动量测量 硅像素/条带探测器 (p-n 二极管阵列) 量能器 (Calorimeter) 吸收并测量粒子能量 同质/异质闪烁体 外层 (Muon) μ 子探测（稀有事件标记） μ 子探测器
前端电子学挑战
挑战 指标/要求 碰撞率 40 MHz (25 ns 间隔) 输入电荷 ~1 fC (粒子穿越) 辐射剂量 极高（靠近相互作用点） 功耗 直接决定探测器材料量 → 影响测量质量数据选择 在线硬件触发 → 有趣事件筛选 → 存储
2. 前端放大器架构
基本信号链
传感器 (p-n 二极管) → 电荷灵敏放大器 (CSA) → 脉冲整形器 → 比较器/ADC → 读出
电荷灵敏放大器 (CSA)
积分输入电荷 Q in V o u t = Q in / C f
关键指标: 噪声（ENC: 等效噪声电荷）、增益、上升时间
脉冲整形器
将 CSA 阶跃响应整形成有限宽度脉冲 → 防堆积
CR-RC 整形器典型
关键性能指标
参数 含义 ENC (等效噪声电荷) 输入参考噪声，单位 e⁻ rms 增益 mV/fC 上升时间 决定时间分辨率 辐射容限 总剂量 (TID)、单粒子效应 (SEE)
3. 不同探测器应用
硅像素/条带探测器 (Tracker)
低输入电容、中等动态范围
高位置分辨率
低功耗（大量通道）
量能器
宽动态范围（多量级能量测量）
线性度要求高
需处理不同信号
μ 子探测器
4. 辐射效应与设计对策
辐射效应 影响 对策 总电离剂量 (TID) MOS 阈值漂移、泄漏增加 专用辐射加固工艺、环形栅 位移损伤 载流子寿命降低 设计余量 单粒子事件 (SEE) 软错误、闭锁 冗余设计 单粒子栅穿 (SEGR) 栅氧击穿 高压保护
工艺选择 : 130 nm/65 nm CMOS 经过辐射验证 → 用于 LHC 升级
5. 设计实例 (原型芯片)
针对 LHC 高亮度升级（2022 年完成）开发的多种原型：
低功耗像素前端 (< 50 µW/通道)
低噪声条带前端 (ENC < 100 e⁻)
高速量能器前端 (< 25 ns 整形)
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