高能物理探测器中CMOS像素传感器阵列低功耗高速读出方法研究

In high energy particle physics detectors, the performance of the silicon semiconductor pixel sensor is excellent, especially the monolithic active pixel sensors, which can achieve high spatial resolution, low power consumption, high readout speed and low cost etc. With the progressing of semiconductor technology, a single pixel area is smaller and smaller (< 50 um * 50 um), the pixel array unit can reach millions of pixels. The traditional pixel array readout mode is the progressive-scan named rolling shutter, because of the limitation on the scan clock rate and the power consumption, the integration time is difficult to reduce to a magnitude order of dozens of us. In order to reduce the power consumption density of the pixel array and improve the readout speed further: First of all, digitize the analogue signal within each pixel, because for a same load condition, driving analogue signals will consume more power than driving digital signals; Secondly, for millions of pixels in an array, the hit density of particles can be as low as one over one thousand or one over ten thousands, so only readout the hit pixels can reduce the power consumption effectively and improve the readout speed at the same time. The area of the pixel array occupied more than 80% of the chip area, thus reduce the power density of the pixel array can effectively reduce thermal noise as well as the cost of detectors, this project aims to study data compression methods to read out data from a large pixel array with ultra low power and fast readout speed in advanced CMOS CIS technology.

在高能粒子物理探测器中，硅半导体像素传感器性能表现优异，尤其是单片式像素传感器具有高空间分辨率、低功耗、高速读出和低成本等特点。随着半导体工艺不断进步，单个像素面积越来越小（<50um*50um），像素阵列可达上百万个像素单元。传统的像素阵列采用逐行扫描读出模式，由于扫描时钟速率和功耗限制，积分时间很难减小到几十us量级。为进一步降低像素阵列功耗密度并提高读出速率：首先，在像素内将模拟信号数字化，因为相同负载条件下，驱动模拟信号传输比驱动数字信号传输消耗更多功耗；其次，对于上百万个像素阵列，粒子击中率可低为千分之一或万分之一，因此仅读出被击中像素单元能有效降低功耗同时提高阵列读出效率。像素阵列占传感器芯片面积的80%以上，因此降低像素阵列功耗密度能有效减小探测器系统热噪声以及探测器成本，本项目旨在研究先进CMOS CIS工艺下大像素阵列数据压缩低功耗高速读出方法。

在高能粒子物理径迹探测器中，硅半导体像素传感器性能表现优异，尤其是单片式像素传感器芯片具有高空间分辨率、低功耗、高速读出、低物质量和低成本等特点。物理学家为了提高粒子径迹重建的精度，要求空间分辨率越小越好（<5μm），同时为获得更多有效数据，事件率不断提升，即要求提高芯片读出速度(几μs)，即要求像素读出芯片在减小像素面积的同时提高读出速率。. (1)针对高速前端电路，本项目研究优化了一种低功耗高速前放，一种电流型比较器，在电流为60nA条件下，实现了峰值时间为1us，积分时间仅为3us，能有效提高整个像素芯片的读出速度，有效避免事件混叠。. (2)针对稀疏非零压缩阵列读出方案的探索，本项目研究了新的非零数据压缩阵列数据读出电路，并在TowerJazz CIS 180nm工艺上进行流片，电路应用在MIC4芯片上，于2017年5月提交了MPW流片.读出电路采用data-driven读出模式，电路结构结合了传统Token优先逻辑和树状优先编码逻辑，将像素尺寸减小为25µmΧ25µm，比ALICE升级径迹探测器芯片ALPIDE（28µmΧ28µm）小。MIC4芯片包括128行64列的像素阵列及外围偏置电路和阵列底部实时读出电路模块。. 芯片各个模块均能正常工作，大部分测试结果符合预期，其通过阵列数字读出进行的S-curve测试，得到阵列总的等效电荷噪声ENC约为37 e-，阈值约为100 e-。读出速率为30MHz/像素地址，对于击中率很低的物理实验，其读出时间仅需几微秒。验证了新的读出方案能减小像素面积同时快速读出，但功耗相比ALPIDE较大，可为之后单片式像素读出芯片设计提供参考。