halbleiterlabor der max-planck- institute für physik und extraterrestrische physik lothar strüder...

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Halbleiterlabor der Max-Planck- Institute für Physik und extraterrestris che Physik Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004 Front end electronics @ low Temperature 1. Parallel processing of analog signals Time continuous filtering Time discrete filtering 2. Readout strategies Multiplexing Readout chain per channel 3. Complexity of frontend ASICS Preamplification Signal Shaping S&H and further amplification Multiplexer ADC, etc. 4. Expertise @ MPE, potential contributions ASICs operated @ 30 K to R.T. Test facilities

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Page 1: Halbleiterlabor der Max-Planck- Institute für Physik und extraterrestrische Physik Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004 Front end electronics @ low

Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Front end electronics @ low Temperature

1. Parallel processing of analog signals

■ Time continuous filtering

■ Time discrete filtering

2. Readout strategies

■ Multiplexing

■ Readout chain per channel

3. Complexity of frontend ASICS

■ Preamplification ■ Signal Shaping

■ S&H and further amplification

■ Multiplexer

■ ADC, etc.

4. Expertise @ MPE, potential contributions

■ ASICs operated @ 30 K to R.T.

■ Test facilities

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

The XEUS WFI

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Prototype matrices

Ceramic Hybrid

64 x 64 pixel arrays with 75 x 75 m2 pixel size Complete set of control & readout electronics

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

0 1 2 3 4 5 6 71

10

100

1000

10000

Si-KAl-K

Mn-KMn-K

Cou

nts

Energy (keV)

Escape Peak

Energy resolution of DEPMOSFET arrays

Energy resolution: 126 eV FWHM @ Mn-Ka Line

corresponding to 5.8 e- ENC@ 400 frames per second

T = - 35o C

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

World record of room temperature spectroscopy

Recorded @ τ = 6 µs, continuous signal shaping, single pixel with 75 x 75 µm 2

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Imaging

500 m

800 m4.5 mm

15 mm

Illumination from backside Baffle: 300 m thick silicon Minimal structure size: 150 m Exposure ca. 100000 frames Readout speed: 400 fps

10 20 30 40 50 60

10

20

30

40

50

60

Column #

Row

#

0225.0450.0675.0900.01125135015751800202522502475270029253150337536003825405042754500

# Hits

Hitmap with 100 ADU threshold

10 20 30 40 50 60

10

20

30

40

50

60

Column #

Row

#

-1.370E5-9.255E4-4.810E4-36504.080E48.525E41.297E51.742E52.186E52.631E53.075E53.520E53.964E54.409E54.853E55.298E55.742E56.187E56.631E57.076E57.520E5

Values

Contour plot from ADU maps

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Frontend ASIC‘s – CAMEX block diagram

CD

S-

filt

er

JF

ET

-a

mp

lifi

er

sa

mp

le&

ho

ld

ca

ble

dri

ver

control (digital, shiftregister)

communication

se

rial

ize

r

cu

rren

t s

ou

rce

INOUT

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Signal Filtering - CDS weighting function

-30

-20

-10

0

10

20

30

-2.25 -2 -1.75 -1.5 -1.25 -1 -0.75 -0.5 -0.25 0

time [µs]

Ws

(t)

[arb

. un

its

]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-2.25 -2 -1.75 -1.5 -1.25 -1 -0.75 -0.5 -0.25 0

time [µs]

Wp

(t)

[arb

. un

its

]

0

0.5

1

1.5

2

0 2 4 6 8 10

frequency [MHz]

Hs(

f) [

arb

. un

its]

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Signal Filtering – triangular shaping (integration)

What filter function leads to the best SNR ?

» with a given measurement time

» with real detector signals

» with real noise contributions

» with a practical ASIC implementation(power constrain, ktc reset noise ...)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-2.25 -2 -1.75 -1.5 -1.25 -1 -0.75 -0.5 -0.25 0

time [µs]

Wp

(t)

[arb

. u

nit

s]

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-2.25 -2 -1.75 -1.5 -1.25 -1 -0.75 -0.5 -0.25 0

time [µs]

Ws

(t)

[arb

. un

its

]

0

0.5

1

1.5

2

0 2 4 6 8 10

frequency [MHz]

Hs

(f)

[arb

. u

nit

s]

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

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extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Signal Filtering – CDS & shaping time

RMS serial white noise over shaping time per 1nV/sqrt(Hz)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0 10 20 30 40 50

shaping time in µs

RM

S n

ois

e @

inp

ut 8xCDS BW=2.5MHz

8xCDS BW=1.0MHz

8xCDS BW=0.5MHz

triangular

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Frontend ASIC‘s in Use

» CMX132 (CCD)

» CMXDUO (CCD)

» CMX64G (DEPFETs)

» SWITCHER II (DEPFETs)

» CURO (DEPFETs)

» DRAGO-ASIC (SDD)

» SYS48 (SDD)

developed in cooperation with• Politecnico di Milano & INFN• University Bonn• Ingenieurbuero Buttler

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

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extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Test facilities at the MPE

1. Test facility PANTER

Length: 130 m, big vacuum vessel (4 x 4 x 9 m3)

Energy bandwidth: 178 eV to 17.5 keV

Flat fields and pencil beams

High monocromacy (transmission gratings, crystal

monocromater ...)

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

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extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Test facilities at MPE

2. The test facilities

PUMA

ROESTI

CALIFA

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Potential MPE contributions to the European cryogenic activities

1. Cooperation in the field of cryogenic frontend

electronics

(ASIC preamp, shaper, S&H, ADC, DAQ,

Sequencing, ...)

2. Testing of ``cold electronics´´ and

test of devices and systems (supplying test

facilities)

3. MPE does not have plans to develop own

cryogenic

detectors, but . . .

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Frontend ASIC‘s - FTD ASIC

The FTD ASIC is a multichannel readout ASIC

• For use with asynchronous detectors like SDD‘s

• The ASIC targets detectors with a „small“ number of pixels (like multichannel drift detectors)

• Includes CRRC shapers in parallel architecture

• Variable shaping time allows application specific trade-off between count rate and noise

FTD

analog output signals

MCDRIFT

CR

RC

filte

r

JFET

-am

plifi

erpole zero

cancelation

curr

ent s

ourc

e high pass

low pass

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Halbleiterlaborder Max-Planck-

Institutefür Physik und

extraterrestrische Physik

Lothar Strüder SRON, Utrecht 26.10.2004

Frontend ASIC‘s - CAMEX

CAMEX is a multichannel readout ASIC

• For use with synchronous detectors like

CCD and DEPFET PIXEL

• Filtering carried out in parallel architecture

• S&H stage and output serialiser

• Integrated programable timing generator

(modular and low pincount)

• Cascadeable

CCD

CMX CMXclk

PHIsignals

analog output signals

CD

S-

filt

er

JFE

T-

amp

lifie

r

sam

ple

& h

old

cab

led

rive

r

control (digital, shiftregister)

communication

seri

aliz

er

curr

ent

sou

rce

INOUT