Catania Astrophysical Observatory Laboratory for Detectors
MUSIC R1
MUSICR1: front-end a 8 canali per la lettura dei segnali generati dai sensori SiPM
Front-End ASIC basato su un sistema di readout multicanale (8 canali) adibito alla lettura di rivelatori SiPM.
Il MUSIC R1 ha le seguenti caratteristiche:
- 8 canali
- ingresso in "current mode"
- bassa impedenza (32 Ohm)
- tensione regolabile al nodo di ingresso
- nessun componente aggiuntivo di interfaccia tra il sensore e il dispositivo
- alta larghezza di banda per il segnale somma (500 MHz)
- banda passante per ogni canale 150 MHz
- elevato range dinamico per alimentare il SiPM ad elevati valori di tensione
- basso consumo di potenza (30 mW/ch)
Il MUSIC R1 ha le seguenti tre modalità operative:
1) somma dei segnali dei SiPM
2) uscita analogica per ciascun canale
3) uscita digitale per ciascun canale
Possibilità di selezionare il tipo di uscita (analogica / digitale) attraverso un segnale di slow control.
I segnali digitali possono essere letti iin OR da un segnale apposito (Fast OR).
Applicazione tipica del chip:
Figura 1. Schematico per una applicazione tipica. Una capacità di 1uF deve essere piazzata vicino al pin di alimentazione per attenuare i transienti di alta corrente.
Diagramma a blocchi:
Il chip MUSIC R1 è stato proggettato per differenti scopi includendo, per esempio, la lettura di SiPM per le camere del Cherenkov Telescope Array (CTA project). La Figura 2, mostra le differenti funzionalità del chip.
Figura 2. Diagramma a blocchi funzionali
Per leggere i SiPM viene utilizzato uno stadio di ingresso a bassa impedenza in configurazione specchio di corrente bipolare con doppio anello di retroazione. In ingresso trova posto lo stadio per controllare la tensione di anodo. La parte di alta frequenza mantiene bassa l'impedenza di ingresso (alla massima banda passante) e quindi il timing del SiPM non è inficiato.
Il chip contiene anche un pole-zero cancellation regolabile (PZ shaper) per tenere conto delle differenti costanti di tempo (recovery time) dei diversi sensori (fino a 100 ns). Lo shaper riduce la durata del picco e la larghezza dell'impulso generato dal sensore (Figura 3). L'azione del pole-zero cancellation può essere impostata o bypassata attraverso un segnale di slow control.
Il circuito prevede l'interfacciamento con il mondo esterno attraverso il protocollo standard Serial Peripheral Interface (SPI).
Figura 3. Tipico segnale di un SiPM 6x6mm2 (Tao = 40 ns)
Una scheda di valutazione (eMusic Mini Board) equipaggiata con il chip MUSIC R1, viene utilizzata per condizionare i segnali in uscita dai SiPM.
Esiste una scheda di valutazione per questo chip che viene chiamata eMUSIC.
Evaluation Board (Top)
Evaluation Board (Bottom)
Le funzioni della scheda sono:
• Lettura su 8 canali di sensori SiPM su connettore a 20 pin con HV.
• Uscite MCX (compatibile con i connettori SMA e LEMO):
- 2 uscite differenziali (alto guadagno) con la somma dei canali
- Single-ended con la somma dei canali (alto guadagno)
• Connettore principale con 8 uscite single ended, differenziale HG e LG, Fast OR dei segnali digitali.
• Configurazione tramite SPI con connettore a 14 pin (P2) (il microcontrollore è bypassato in questa modalità)
• Configurazione su UART con connettore a 6 pin (P1).
• Configurazione ASIC non volatile: EEPROM.
- 100.000 cicli di scrittura / cancellazione.
• Plug & Play: un microcontrollore carica la configurazione di fabbrica all'avvio.
• L'alimentazione può essere condivisa tra un gruppo di N board