автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Аналого-цифровые микроэлектронные устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов

004615879

На правах рукописи

Силаев Алексей Сергеевич

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА АМПЛИТУДНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

004615879

Диссертация выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ачкасов Владимир Николаевич, ФГУП «НИИ Электронной Техники»

кандидат технических наук Мелешко Евгений Алексеевич, РНЦ «Курчатовский институт»

Ведущая организация:

ФГУП «НИИ Микроэлектронной Аппаратуры «Прогресс»

Защита диссертации состоится 20 декабря 2010 г. в часов ()0т\щх на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ по адресу 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323-92-35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан «?£/>> ноября 2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор

П.К. Скоробогатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы

В настоящее время в развитии современной аппаратуры физического эксперимента наблюдается тенденция увеличения количества детекторов ионизирующего излучения, а следовательно и такого же увеличения электронных каналов съема и обработки сигналов этих детекторов. Число каналов в крупных международных экспериментах таких, как LHC, ALICE, ATLAS, CMS в CERN (Швейцария), PHENIX и STAR в BNL (США), СВМ в FAIR (Германия), НУКЛОН (Россия) достигает более сотен тысяч каналов. Естественно, что с каждым годом предъявляются все более жесткие требования к характеристикам этих каналов, как в плане массогабаритных, так и в части электрических параметров.

Данная диссертация неразрывно связана с проектированием электронной аппаратуры для российского эксперимента НУКЛОН, направленного на изучение космических излучений (Роскосмос), и для международного эксперимента СВМ, направленного на изучение сжатой барионной материи (FAIR, Германия). В упомянутых экспериментах используются многоканальные кремниевые микрополосковые детекторы. Основная часть задач амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов решается аналого-цифровыми устройствами, включающими в себя: зарядочувствительный усилитель, усилитель-формирователь, устройство выборки хранения (пиковый детектор), источник опорного напряжения, мультиплексор, выходной драйвер (аналого-цифровой преобразователь).

Создание систем сбора и обработки данных такого масштаба диктует необходимость выполнения всей электроники считывания в микроэлектронном исполнении в виде сложно-функциональных специализированных интегральных микросхем (СИМС), выполненных по современным КМОП технологиям с проектными нормами 0,18...0,35 мкм.

Разработка таких сложных микросхем возможно лишь с применением передовых САПР компаний Cadence Design Systems, Mentor Graphics и Synopsys.

Улучшение электрических характеристик многоканальных систем сбора и обработки сигналов в настоящее время связано в первую очередь с улучшением характеристик их входной аналоговой части: потребления, динамического диапазона, эквивалентного шумового заряда, коэффициента усиления, полосы пропускания и др.

Анализ существующих СИМС показал, что на сегодняшний день отсутствуют микросхемы для работы от микрополосковых детекторов с

необходимыми характеристиками, такими как потребление (единицы милливатт на канал) и динамический диапазон (сто пико кулон).

Поэтому разработка аналого-цифровых устройств в интегральном исполнении представляется весьма актуальной научно-технической задачей, направленной в конечном счете на улучшение характеристик электронной аппаратуры физических и космических экспериментов. Актуальной задачей является также оптимальное согласование микрополоскового детектора с амплитудным каналом обработки сигналов.

Вопросам теории и практики аналого-цифровых устройств для физических экспериментов посвящено большое количество публикаций и докладов на международных и российских конференциях. Заметный вклад в данную тематику внесли отечественные специалисты таких коллективов, как Курчатовский институт, ИФВЭ, ИТЭФ, ОИЯИ, НИИМА, СНИИП, НИИЯФ МГУ, ИЯИ РАН, ИПУ РАН и др.

Целью диссертации является развитие методики сквозного проектирования современных аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов и создание комплекса специализированных интегральных микросхем для физических и космических экспериментов.

Для достижения данной цели использован комплексный подход, включающий решение следующих задач:

- анализ структурных и принципиальных схем микроэлектронных аналого-цифровых устройств и отдельных узлов физической аппаратуры обработки сигналов кремниевых детекторов;

- исследования и разработка зарядочувствительного усилителя с широким динамическим диапазоном;

- исследования и разработка других узлов аналогового канала: усилителя формирователя, устройства выборки хранения, источника опорных потенциалов, выходного драйвера;

- обоснование критериев качества аналого-цифровых устройств;

- анализ эквивалентных схем кремниевых микрополосковых детекторов и создание методики экстракции их SPICE параметров;

- разработка методики топологического проектирования аналого-цифровых устройств, включающей создание высокоточных и согласованных элементов (дифференциальных пар, точностных конденсаторов и резисторов), входных транзисторов с эквивалентной шириной канала до нескольких десятком миллиметров, учет взаимного влияния каналов;

- проведение тестирования разработанных СИМС.

Этот комплексный подход включал использование последних версий программных продуктов САПР компаний Cadence, Mentor

Graphics и Synopsys, а также технологических библиотек компаний

изготовителей UMC (Тайвань), AMIS/OnSemi (Бельгия).

Научная новизна диссертации

1. Разработана методика проектирования аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки, позволяющая проводить сквозное проектирование специализированных интегральных микросхем на основе современных САПР и с использованием технологических библиотек компаний изготовителей.

2. Разработаны оригинальные структурные, схемотехнические и конструктивно-топологические методы (решения) реализации узлов амплитудного канала обработки сигналов детекторов.

3. Создана методика экстракции параметров SPICE модели микрополоскового детектора, позволяющая в едином цикле анализировать детектор и амплитудный канал, что весьма важно при решении задачи оптимального согласования детектора и считывающей электроники.

4. Предложены критерии качества микроэлектрониого канала амплитудной обработки, включающие его важные характеристики: потребление, эквивалентный шумовой заряд, динамический диапазон, коэффициент усиления и занимаемую площадь на кристалле.

Практическая значимость результатов диссертации

1. Впервые спроектирована и изготовлена 32-х канальная СИМС амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с динамическим диапазоном более ЮОпКл, не имеющая аналогов в России и за рубежом. Получено свидетельство о государственной регистрации топологии данной СИМС, реализованной по КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм.

2. Разработан комплекс СИМС для физических и космических экспериментов СВМ и НУКЛОН:

- 8-и канальный зарядочувствительный усилитель с компенсацией токов утечек (до 1мкА);

- 16-и канальный малошумящий зарядочувствительный усилитель с эквивалентным шумовым зарядом менее 2000 электрон при емкости детектораЮО пФ;

- 4-х и 6-и канальные аналого-цифровые устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с энергопотреблением менее 2,0 мВт/канал.

Данные микросхемы изготовлены по КМОП технологии с проектными нормами 0,18...0,35 мкм. На две из них получены свидетельства о регистрации их топологий.

На защиту выносятся

1. Методика сквозного проектирования аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с использованием современной КМОП технологии и передовых САПР.

2. Результаты структурного, схемотехнического и топологического проектирования принципиальных узлов канала амплитудной обработки сигналов.

3. Методика создания SPICE модели микрополосковго детектора, позволяющая в едином цикле проектирования решать задачи согласования детектора со считывающей электроникой.

4. Критерии качества аналого-цифровых устройств амплитудной обработки, использование которых позволяет количественно сравнивать характеристики разрабатываемых устройств.

5. Комплекс специализированных интегральных микросхем для физических и космических экспериментов СВМ и НУКЛОН.

Апробация диссертации

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• International Symposium on Nuclear Electronics and Computing, Varna, Bulgaria, 2003, 2005 и 2009 г.г.

• Российской научно-технической конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника», 2003, 2004, 2007 и 2010 г.г.

• Научных сессиях НИЯУ МИФИ в период с 2005 по 2010 г.г.

• Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» МГАПИ, 2002 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа (из них 4 без соавторов), в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, получено 3 свидетельства о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 наименований. Она содержит 150 страниц, включая 74 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертации. Приведена постановка задачи и сформулированы основные

положения, выносимые на защиту, а также ее научная новизна и практическая ценность.

1. Анализ литературных источников, тенденции развития считывающей электроники, выбор технологии

На основе проведенного анализа литературных источников по современным аналого-цифровым устройствам обработки сигналов кремниевых детекторов формулируются требования к считывающей электронике, приводятся основные характеристики микро колосковых детекторов и СИМС, описывается состав канала амплитудной обработки и дается анализ современной полупроводниковой КМОП технологии.

Описываются структурные схемы современных аналого-цифровых устройств обработки сигналов. Данные устройства, как известно, в зависимости от целей и задач физического эксперимента подразделяются на устройства амплитудной и временной обработки сигналов. Материалы данной диссертации ориентированы на устройства амплитудной обработки.

Для современных аналоговых каналов предъявляются жесткие требования в первую очередь по потребляемой мощности, динамическому диапазону, шумам, быстродействию и микроминиатюризации. К примеру, потребляемая мощность не должна превышать единиц мВт/канал, а динамический диапазон в некоторых экспериментах достигает ста пКл.

Приводится сводная таблица с параметрами современных аналого-цифровых устройств, выполненных в интегральном исполнении, таких как VA32HDR, SVX4, HELIX128, CSP ASIC, Beetle, ASD, APV25, Eudet 13 (FP6), SiTR, SPECT, Ramses и др. В качестве примера ниже приведен фрагмент упомянутой таблицы.

Таблица 1.

Параметр VA32 HDR14 SVX4 CSP ASIC Beetle

Число каналов, шт 32 128 16 ¡28

Технология изготовления, мкм КМОП 0,35 КМОП 0,25 КМОП 0,35 КМОП 0,25

Площадь, ммхмм 4,4x3,4 6,4x9,1 2,4x2,4 6,1x5,1

Коэффициент усиления, мВ/фКл 5 5 1 5

Эквивалентный шумовой заряд, электрон 2700+50е/пФ 2000+20е/пФ 1400 500+47е/лФ

(Сд=20пФ) (Сд=35пФ) (Сд=25пФ) (Сд=10пФ)

Динамический диапазон, пКл 25 0,2 2 10

Потребляемая мощность, мВт/канал 2,0 3,0 6,0 2,2

Анализ характеристик позволил сделать заключение, что на сегодняшний день отсутствуют микросхемы, удовлетворяющие комплексу заданных характеристик для экспериментов НУКЛОН и СВМ. Анализ также позволил выявить следующие тенденции:

• Аналого-цифровые устройства, в частности аналоговые каналы амплитудной обработки, реализуются преимущественно в виде СИМС по КМОП технологии с проектными нормами 0,18...0,35 мкм.

• Интегрирование в одном кристалле все более сложных узлов в единую аналого-цифровую микросистему, содержащую зарядочувствительные и операционные усилители, формирователи, устройства выборки хранения (пиковые детекторы), источники опорного напряжения и тока, АЦП, дискриминаторы, мультиплексоры и др.

• Интегрирование на кристалле все большего числа каналов, при этом общая степень интеграции ИМС превышает десятки и сотни тысяч транзисторов, поэтому особое внимание уделяется системам питания, планировке кристалла, «развязке» аналоговой и цифровой частей.

В зависимости от конкретных задач физического эксперимента и с целью более объективного сравнения существующих и вновь разрабатываемых аналого-цифровых устройств, предлагается использовать один из следующих критериев качества: Hi-DD/Pk, где DD - динамический диапазон, Рк - потребление канала; H2=Ky/Qiu, где Ку - коэффициент усиления, Qm - эквивалентный шумовой заряд; H3=Ni/S, где NK - число каналов, S- площадь кристалла.

Из данных критериев при необходимости можно сформулировать и более сложные критерии, равные произведениям двух и даже трех величин // = Я/ х Н2 * Н}.

Предложенные критерии позволяют количественно оценить характеристики данного рода устройств по следующим ключевым показателям: динамический диапазон, потребление, коэффициент усиления, эквивалентный шумовой заряд, количество каналов и занимаемая площадь на кристалле.

С учетом требований к считывающей электронике проведен анализ и сравнение полупроводниковых технологий, доступных для реализации устройств данного класса в России и за рубежом. Он показал, что на сегодняшний день более перспективными изготовителями ИМС следует считать зарубежные компании, так как они:

• обладают отработанными КМОП технологиями с проектными нормами 0,18...0,35 мкм и с различными технологическими опциями (например, Mixed Mode);

• имеют хорошо выверенные технологические библиотеки и полные комплекты документации, включая SPICE модели и топологические виды элементов;

• обеспечивают в сжатые сроки изготовление прототипов (до 3

месяцев), используя программы MPW (Multi Project Wafer и miniASIC);

• в настоящее время нет экспортных ограничений для России, как по средствам проектирования, так и по доступу к передовым технологическим процессам.

На начало диссертации (2003г.) в России практически отсутствовали доступные КМОП технологии с прогрессивными проектными нормами, удовлетворяющими требованиям к считывающей электронике. Благодаря членству в европейской организации Europractice (с 2003 г.), НИЯУ МИФИ имеет доступ к зарубежным технологическим компаниям изготовителям, таким как UMC и TSMC (Тайвань), AMIS/OnSemi (Бельгия), Austriamicrosystems (Австрия), IHP и LFoundry (Германия). Использование данных технологий позволяет эффективно разрабатывать аналого-цифровые устройства для современных физических экспериментов с требуемыми характеристиками.

2. Методика сквозного проектирования, структурное и схемотехническое проектирование узлов

Описывается предлагаемая методика (маршрут) сквозного проектирования аналого-цифровых устройств, основанная на использовании современной полупроводниковой КМОП технологии и передовых САПР, которая включает выполнение следующих этапов (см. рис.1):

- анализ технических требований;

- выбор и обоснование структурной схемы аналого-цифрового канала считывания и обработки информации;

- проведение поведенческого (структурного) моделирования, с использованием математических моделей (verilog, veriloga и др.) аналоговых и цифровых узлов;

использование созданной SPICE модели кремниевого микрополоскового детектора с помощью технологического САПР TCAD компании Synopsys;

- выбор полупроводниковой технологии (технологического базиса) и анализ технической документации (Design Kits) фирм изготовителей;

- SPICE моделирование аналоговых узлов и амплитудного канала в целом с использованием SPICE модели детектора на основе технологических библиотек и САПР Cadence (Spectre, UltraSim), Mentor Graphics (Eldo, HSPÍCE); моделирование включает расчет по постоянному току, малосигнальный анализ, расчет шумовых характеристик, Worst Case (Corner) и Monte Carlo анализ;

- проведение параметрической оптимизации аналоговых узлов, поиск экстремума целевых функций в единой среде SPICE моделирования (Cadence, Neo Circuit и Mentor Graphics);

- проведение топологического проектирования аналого-цифровых узлов на основе технологических библиотек компаний изготовителей с использованием специализированных программ (Virtuoso XL, GXL, NeoCell);

- верификация разрабатываемых топологий с учетом правил проектных норм DRC, на соответствие принципиальным схемам LVS и осуществление экстракции паразитных элементов из топологий согласно правилам выбранного технологического базиса xRC;

- SPICE моделирование с учетом паразитных элементов, уточнение параметров проектируемых узлов и последующая коррекция топологий;

- создание файла в технологическом стандарте GDSII для передачи топологии микросхемы на технологическую фабрику изготовителя;

- проведение лабораторных испытаний реализованных микросхем, разработка печатных узлов с монтированными элементами и разъемами в составе физической аппаратуры;

- подготовка технической документации (datasheet) и инструкции по применению специализированных микросхем.

Рис. 1. Маршрут сквозного проектирования аналого-цифровых устройств в интегральном исполнении

Описывается состав входной части аналогового канала. Он состоит из зарядочувсвтительного усилителя (ЗЧУ), усилителя формирователя, схемы выборки-хранения и последующей цифровой обработки (мультиплексор, АЦП, выходной драйвер).

Среди аналоговых узлов амплитудного канала в диссертации более детально рассматривается ЗЧУ, который помимо усиления обеспечивает согласование с полупроводниковым детектором и минимизацию приведенного ко входу шума.

Приводится ряд разновидностей ЗЧУ (структурные и принципиальные схемы), а именно: малошумящий ЗЧУ, ЗЧУ с компенсацией токов утечки детекторов, ЗЧУ с широким динамическим диапазоном.

Передаточная характеристика ЗЧУ с широким динамическим диапазоном сверху ограничена напряжением питания (Епит)> а снизу шумами (Еш). Как правило, значение динамического диапазона по заряду составляет до ста пико кулон (рис.2).

Рис. 2. Упрощенные структурная схема и передаточная характеристика ЗЧУ с широким динамическим диапазоном

Принципиальная особенность данной схемы - разделение полного динамического диапазона на два поддиапазона. Точка перелома данной характеристики выбрана при значении входного заряда, равного 3 пКл, что позволяет в области малых амплитуд обеспечить более высокий наклон передаточной характеристики и тем самым достичь лучшего отношения сигнал/шум, а в области больших сигналов - меньший наклон, обеспечивающий расширение динамического диапазона сверху. Переключение поддиапазонов происходит автоматически. Для этого к выходу ЗЧУ подключен дополнительный усилитель (У), работающий в режиме «В». В исходном состоянии и в области малых амплитуд, усилитель находится в отключенном состоянии. При более высоких

амплитудах усилитель открывается. При этом в канал ЗЧУ добавляется дополнительный конденсатор Сос2, причем, С0сг» С0С|.

На рис. 3 показана принципиальная схема малошумящего ЗЧУ в среде Cadence.

Рис. 3. Принципиальная схема ЗЧУ

Первый каскад построен по схеме каскода с параллельным питанием, на транзисторах VI и У4. При этом в качестве входного транзистора VI выбран полевой транзистор с Р-каналом (транзистор с индуцированным каналом). Выбор типа проводимости входного транзистора обусловлен необходимостью минимизации шума типа I// и полярностью входных сигналов. Для увеличения крутизны и минимизации шума входной транзистор имеет эквивалентную ширину канала = 8000 мкм и длину канала Ь = 0,35 мкм. При этом входной транзистор обеспечивает крутизну порядка нескольких единиц мА/В. Транзистор У4 используется для минимизации эффекта Миллера, обусловленного проходной емкостью затвор-сток входного транзистора. Транзисторы У2, УЗ и У5 работают как источники режимного тока. Второй каскад построен по схеме истокового повторителя на транзисторе У6 с динамической нагрузкой VI и выполняет роль усилителя мощности.

Для улучшения частотной стабильности (увеличения запаса по фазе) в схему добавлены корректирующие конденсаторы СЗ и С4 с суммарной емкостью 3 пФ. Эти конденсаторы подавляют возможные колебания в переходной характеристике.

Приводятся принципиальные схемы и результаты схемотехнического моделирования и других аналоговых узлов амплитудного канала.

Усилитель формирователь выполнен по схема полосового активного фильтра с многократным интегрированием типа CR-(RC)" для увеличения отношения сигнал/шум не менее 10 и с временем формирования 2,2 мкс. Устройство выборки хранения использует высокоточный конденсатор емкостью 1 пФ. Источник опорного напряжения (ИОН) с низким потреблением обеспечивает стабильное выходное напряжение 1,2 В в диапазоне температур -60...+125 С0 и при изменении напряжения питания от 2,0 до 5,0 В. Благодаря проведенной оптимизации схемы ИОН удалось обеспечить ток потребления менее ЮмкА и температурный коэффициент - 15 ррпт/С0. В качестве примера на рис. 4 приведены результаты Monte Carlo анализа схемы ИОН: С = 9,88мВ при количестве итераций N=500.

Кроме того, в диссертации приводится спроектированная и реализованная в микроэлектронном исполнении схема ФАПЧ с низким потреблением, предназначенная для формирования фазовых сигналов АЦП конвейерного типа и последующей цифровой обработкой данных.

Напряжение, В

Рис. 4. Результаты Monte Carlo анализа ИОН

На основе предложенной методики сквозного проектирования разработан и реализован канал амплитудной обработки, топология которого приведена на рис. 5. Так как детекторная система является многоканальной, то топология канала спроектирована в виде вытянутого прямоугольника (полоски). Это сделано для того, чтобы выполнить требования по соотношению длины и ширины, что позволило сделать

геометрию кристалла близкой к квадратной. А это способствует повышению процента выхода годных микросхем при изготовлении.

Рис. 5. Топология канала амплитудной обработки

Площадь канала составляет 80*3000 мкм2. Большую часть занимает ЗЧУ (80x2000 мкм2), в начале которого расположен входной Р-МОП транзистор, далее резистор обратной связи И0с и конденсатор Сое, занимающий основную площадь ЗЧУ примерно 60*1000 мкм2. На усилитель формирователь отведена площадь 80x414,5 мкм2, а на устройство выборки хранения - 80x474,5 мкм2.

3. Модель кремниевого микрополоскового детектора

Как известно, кремниевые микрополосковые детекторы являются неотъемлемой частью детекторных систем физических экспериментов. Они характеризуются малыми размерами и хорошей пространственной и угловой разрешающей способностью.

В диссертации предложена модель (эквивалентная схема) микрополоскового детектора НУКЛОН в виде системы резистивно-емкостных цепочек, которая более точно описывает характеристики (в частности, шумовые) полупроводниковой структуры по сравнению с другими известными моделями, которые подробно рассмотрены в диссертации.

На рис. 6 представлена модель детектора, которая соответствует пяти микрополоскам, каждая из которых содержит элементы: Я« -сопротивление металла, - сопротивление р+ имплантации, Б-мп -сопротивление между микрополосками, Яп - сопротивление подложки, СМЕ - емкость между металлами микрополоски, Сс - емкость окисного слоя БЮг (емкость разделительного конденсатора), СМп - емкость между микрополосками, Сп - емкость подложки.

Предложена методика экстракции параметров SPICE модели микрополосковго детектора с использованием технологического САПР Sentaurus (TCAD) компании Synopsys, которая включает в себя следующие этапы.

• Подготовка входных данных для маршрута проектирования: создание топологии детектора в технологическом формате файла GDSII или CIF. Данный формат содержит информацию о количествах используемых слоев (масок) при изготовлении детектора, а также название слоев и их геометрические размеры.

• Моделирование технологического маршрута изготовления детектора. При этом должны быть известны такие технологические параметры, как свойства подложки, сопротивление кремния, концентрация примеси, доза ионной имплантации, время отжига и взаимодействие с газами при диффузии, толщина окисла и металлизации, размеры пассивации и так далее.

• Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными по основным технологическим параметрам: глубина залегания и концентрация примесей, толщина окисла образованного на поверхности детектора. При этом если результаты моделирования расходятся с экспериментальными значениями, то необходимо уточнить и скорректировать технологический процесс и повторить предыдущий этап.

• Моделирование вольт-амперных характеристик детектора. При этом рассчитываются и определяются: пробивное напряжение, ток утечки детектора, шум, распределение электрического поля на поверхности детектора, электростатический потенциал, плотность электрического тока и др. Полученные результаты используются при расчете сопротивлений модели детектора.

• Моделирование вольт- фарадных характеристик детектора. На данном этапе главной задачей является расчет зависимости емкости детектора

от приложенного напряжения C(V). Рассчитывается напряжение полного обеднения и общая емкость детектора. Результаты моделирования используются при расчете емкостей модели детектора. • Экстракция параметров SPICE модели микрополосковго детектора из полупроводниковой структуры. На данном этапе используется специализированный пакет программ, результатом работы которого является выходной файл в формате SPICE.

На основе предложенной методики спроектирована полупроводниковая структура микрополоскового детектора НУКЛОН, рассчитаны ВАХ и ВФХ, а также определен ряд других параметров детектора: ток утечки, электрический шум, емкость и сопротивление между микрополосками, напряжене полного обеднения, емкость разделительного конденсатора. Экстрактированы параметры SPICE модели: ток насыщения, объемное сопротивление, тепловой ток, ток при высокой инжекции, время переноса заряда, барьерная емкость при нулевом смещении, контактная разность потенциалов, коэффициент нелинейности барьерной емкости перехода, ширина запрещенной зоны, напряжение обратного пробоя, начальный ток пробоя, температурный коэффициент тока насыщения, линейный температурный коэффициент, коэффициент фликкер шума. Значения всех перечисленных параметров приведены в диссертации. Созданная модель позволила:

- перейти от простейшего представления модели кремниевого детектора в виде конденсатора (характеризующий емкость детектора) и источника постоянного тока (имитирующего ток утечки детектора) к более точной SPICE модели;

- использовать модель в различных САПР при SPICE моделировании детектора и канала амплитудной обработки, что в частности, помогло более точно рассчитать эквивалентный шумовой заряд ЗЧУ.

4. Практическая реализация аналого-цифровых устройств

Предложен маршрут топологического проектирования многоканальных СИМС, учитывающий особенности разрабатываемых микросхем и рекомендации фирм изготовителей. Ключевыми этапами этого маршрута являются:

• Определение геометрических размеров узлов (элементов) и выбор оптимального соотношения ширины и длины амплитудного канала. Так ширина канала составляет десятки микрон, а длина достигает единицы миллиметров. Расчет количества «fingers» (пальцев) и используемых фиктивных элементов для эквивалентной ширины канала входного транзистора от 1,0 до 50,0 мм.

• Взаимное расположение аналоговых узлов, портов входов-выходов, трассировка шин питания. Структура топологии канала

представляет следующую последовательность узлов: калибровочный конденсатор, ЗЧУ, усилитель формирователь, источник опорных потенциалов, устройство выборки хранения и цифровая часть с последующим выходным драйвером. Характерная ширина шин в канале составляет 5... 15 мкм. При этом по всей длине шин (единицы миллиметров) обеспечивается контакт с подложкой для шины земли, а для шины питания - контакт с карманом.

• Разработка топологии заказных элементов: высокоточный конденсатор (емкость хранения, калибровочный), входной МОП транзистор ЗЧУ, симметричные дифференциальные пары усилителей, согласованные матрицы резисторов и конденсаторов.

Ниже рассматриваются СИМС, разработанные и реализованные с непосредственным участием автора. Так, для эксперимента НУКЛОН, разработан и изготовлен комплекс СИМС по КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм компании АМ13/Оп8егш, Бельгия: 1 б-и канальный малошумящий ЗЧУ; 4-х и 6-и канальные аналого-цифровые устройства с низким энергопотреблением; 32-х канальная микросхема амплитудной обработки с широким динамическим диапазоном.

Спроектированные и реализованные 4-х и 6-и канальные аналого-цифровые устройства, предназначены для отработки структурных и схемотехнических решений. Эти устройства содержат аналоговую и цифровую части, а также два тестовых канала с выведением на внешние контактные площадки промежуточных точек, что позволяет более детально исследовать поведение отдельных узлов.

Цифровая часть микросхемы выполняет две основные функции: калибровка каналов и «розЬ>-аналоговая обработка, выполняемая мультиплексором и сдвиговым регистром. На рис.7 приведена топология 6-и канальной микросхемы, площадь которой составляет 2,0x4,0 мм2.

Рис. 7. Топология 6-и канальной СИМС

8-и канальная СИМС ЗЧУ с компенсацией токов утечек детектора (до 1 мкА) состоит из каналов амплитудной обработки, усилителя-формирователя, быстродействующего тактируемого компаратора и

программируемого ЗЧУ (рис.8). Аналоговый канал включает в себя ЗЧУ, источник опорных потенциалов (микротоков) и схему обратной связи.

дана асщзза а а □ а— Шы_ЖиЖ1Ж1Ж,; * Н

Прсфамируриый ЗЧУ

:>гма обрлботм нифавмаиик

«5>

-

Быг гролет*. гшлируечый КС

Рис. 8. Структура и топология 8-ми канальной СИМС

Микросхема спроектирована по 0,18 мкм КМОП технологии компании иМС и занимает на кристалле площадь 1,5х 1,5мм2. Одна из особенностей данной микросхемы заключается в создании и использовании заказных контактных площадок с минимальными размерами 56><69 мкм2, которые реализованы с использованием шести слоев металла и пяти слоев межсоединений, что позволило расположить на кристалле 60 площадок, вместо 48 стандартных. Электрические параметры СИМС приведены в табл. 2.

16-и канальная СИМС малошумящего ЗЧУ содержит два операционных усилителя с динамическим диапазоном от отрицательной до положительной шины питания, которые могут использоваться для построения усилителя формирователя, а также в качестве повторителя в схеме выборки-хранения (рис. 9).

С учетом жестких требований, предъявляемыми к системе обработки информации в космических условиях, разработанная СИМС обеспечила считывание сигналов микрополосковых детекторов в диапазоне 0,1...9,0 пКл (по заряду) при отношении сигнал-шум более 10 с учетом ограниченного потребления.

Основное внимание при проектировании данного малошумящего ЗЧУ уделено повышению крутизны входного транзистора при низком токе потребления, а также быстродействию и шумам усилителя. Для этого использован полевой транзистор с эквивалентной шириной канала 50 мм, что обеспечило крутизну транзистора 280 мА/В. Площадь разработанной СИМС составляет 4,0^2,0мм2. Оригинальность топологии подтверждена свидетельством о госрегистрации ИМС. Основные характеристики данной ИМС приведены в табл. 2.

I VPDh I h I «Д h

[ M h

D»>

| IN16 |-

[¡SIl-

l VSS f~

16-канапьный ЗЧУ

Hvss l 4outi l

—|0UT2 |

|QUT3 l —|0UT4 |

:

H out2 | VOD |

| УРР | | | |~Ь2 11 Ь1 | П^й |

Рис. 9. Структура и топология 16-и канальной СИМС На основе предложенной автором методики сквозного проектирования разработана и реализована 32-х канальная специализированная микросхема с широким динамическим диапазоном. На рис. 10 показана структурная схема микросхемы и ее топология, которая также защищена свидетельством о госрегистрации ИМС. Площадь микросхемы составляет 4,0x4,0 мм2.

0

EZJ DSlH Р^П' ЕЯ-

| in_dummy1

1—1-

¥

I тестовый канал -

ts-i-r

I : канал 31:

: тестовый канал ,

I MPias I

*] oul_dummyO |

■H^D

Î! 1

й 1

Ш

~»| oul_dummyt~|

S

Рис. 10. Структура и топология 32-х канальной СИМС В диссертации приведены результаты испытаний, которые проведены на измерительном стенде в лаборатории НИИЯФ МГУ. Стенд включал в себя, как аппаратные (осциллограф LeCroy 9304а, Tektronix TDS3034, Tektronix TDS2014, генератор импульсов НР33120А, тестовая плата Spartan ЗЕ, блоки питания, преобразователь уровня сигналов, ЦАП SPT6219 и др.) так и специализированные программные (LabView, OS Spartan Зе, программа обработки Root) средства тестирования.

В качестве примера на рис. 11 приводится экспериментальная передаточная характеристика канала амплитудной обработки сигналов.

Основные характеристики

аналого-цифровых устройств,

реализованных в виде СИМС, приведены в табл. 2. Там же для сравнения указаны характеристики ближайшего функционального аналога ИМС VA32HDR14 компании IDEAS, Норвегия.

Полученные результаты

позволяют утверждать, что по совокупности электрических

характеристик (динамический диапазон, потребление и шум), реализованная ИМС не имеет аналогов в России и за рубежом.

Рис. 11. Передаточная характеристика амплитудного канала

Таблица 2.

Параметр VA32 HDR14 Нуклон-32 Нуклон 16 СВМ8

Число каналов, шт 32 32 16 8

Состав канала ЗЧУ, УФ, УВХ ЗЧУ, УФ, УВХ ЗЧУ+ ИОН ЗЧУ+ ИОН+ОС

Проектные нормы, мкм 0,35 0,35 0,35 0,18

Коэффициент усиления, мВ/фКл 5 м.с.- 1,5 б.с. - 20 мВ/пКп 3 5

Динамический диапазон, пКл 25 > 100 9 7

Эквивалентный шумовой заряд, электрон 2700+50е/пФ при Сд=20пФ 8500+8е/пФ при Сд=100пФ <2000 при Сп=Ю0пФ <2000 при Сп=100пФ

Потребляемая мощность, мВт/канал 2,0 <2,0 1,0 1,2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный результат заключается в развитии методики сквозного проектирования аналого-цифровых устройств амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов на основе современных САПР (Cadence, Mentor Graphics, Synopsys), что позволило в конечном счете реализовать комплекс микросхем по полупроводниковой КМОП технологии с проектными нормами 0,18... 0,35 мкм для

Выходное напряжение, В

Входной заряд, пКл

электронной аппаратуры космического эксперимента НУКЛОН (Роскосмос, Россия) и международного физического эксперимента СВМ (FAIR, Германия).

Основной теоретический результат

В диссертации созданы, развиты и обоснованы методики проектирования, модели и критерии оценки устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов, позволяющие существенно сократить время разработки и обеспечить точность требуемых характеристик.

Частные теоретические результаты Развита общая методика проектирования аналоговых трактов, включающая выбор элементной базы, параметрическую оптимизацию узлов тракта с учетом Corner и Monte Carlo анализа, выбор наилучшего варианта, разработку топологии и моделирование с учетом экстракции паразитных элементов, данная методика позволяет достичь оптимального комплекса параметров.

Предложены критерии качества аналого-цифровых устройств и их отдельных узлов, позволяющие проводить сравнение различных вариантов данных устройств. Проведен сравнительный анализ известных на сегодняшний день специализированных интегральных микросхем.

Предложен и обоснован способ расширения динамического диапазона зарядочувствителыюго усилителя.

Создана методика расчета параметров эквивалентной схемы микрополоскового детектора, позволяющая моделировать детектор и считывающую электронику в едином цикле проектирования.

Основной практический результат

Впервые разработана и реализована отечественная 32-х канальная специализированная интегральная микросхема для съема и обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов по полупроводниковой КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм, с широким динамическим диапазоном - более 100 пКл и низким потреблением - менее 2,0 мВт/ канал.

Частные практические результаты Спроектирован и реализован комплекс специализированных интегральных микросхем для использования в составе амплитудных аналого-цифровых трактов для многоканальных микрополосковых детекторов:

- 4-х и 6-и канальные прототипные аналого-цифровые устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов;

- 8-и канальный зарядочувствительный усилитель с компенсацией токов утек детектора до 1мкА;

- 16-и канальный малошумящий зарядочувствительный усилитель с эквивалентным шумовым зарядом менее 2000 электронов.

Разработанные микросхемы реализованы по современным КМОП технологиям с проектными нормами 0,18...0,35 мкм. Оригинальность топологий микросхем подтверждена свидетельствами о государственной регистрации.

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее главная цель - развита методика сквозного проектирования микроэлектронных аналого-цифровых устройств амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов, а также разработана и реализована не имеющая аналогов в России и за рубежом 32-х канальная специализированная микросхема с широким динамическим диапазоном и малым энергопотрблением. Данная микросхема позволяет заметно улучшить качество физической и космической аппаратуры.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Воронин А.Г., Ильющенко И.И., Силаев А.С., Феденко АЛО. Многоканальный зарядово-чувствительный усилитель для регистрации сигналов двухсторонних кремниевых детекторов трековой системы проекта СВМ // Приборы и техника эксперимента, 2010. -№4. - С.57-60.

2. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Силаев А.С. и др. Интегральная микросхема для регистрации сигналов кремниевых детекторов // Приборы и техника эксперимента, 2010. -№2. - С. 62-73.

3. Силаев А.С. Оптимизация характеристик источника опорного напряжения // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 221-224.

4. Воронин А.Г., Меркин М.М., Силаев А.С. SPICE модель кремниевого микрополоскового детектора // Научная сессия МИФИ -2010. Аннотации докладов. Т.1. Ядерная физика и энергетика М.: НИЯУ МИФИ, 2010.-С. 158.

5. Atkin Е., Klyuev A., Silaev A., Fedenko A., Karmanov D., Merkin М., Voronin A. Integrated circuit readout for the silicon sensor test station // arXiv.org : Архив электронных препринтов. 2009. URL: http://arxiv.org/pdf0906.2063vl.

6. Yu.A. Volkov, A.S. Silaev. Silicon microstrip detector model for readout electronics // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. - 2009. - P. 250-252.

7. Yu.A. Volkov, A.S. Silaev. A micropower phase-locked loop 1С for processing the signals of silicon detectors // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. - 2009. - P. 247-249.

8. E. Atkin, I. Ilyushchenko, D. Semenov, A. Silaev, A. Voronin. Optimization of a CSA 1С for silicon microstrip detectors // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. - 2009. -P. 54-56.

9. Силаев A.C. Микромощный ФАПЧ с умножением частоты // Научная сессия МИФИ - 2009. Аннотации докладов. Т.1. Ядерная физика и энергетикаМ.: МИФИ, 2009. -С.187.

10. Аткин Э.В., Воронин А.Г., Клюев А.Д., Силаев A.C. Специализированная ИМС обработки аналоговых сигналов для кремниевых детекторов // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов/Под ред. В.Я. Стенина.-М.: МИФИ, 2007. - С. 107-112.

11. Аткин Э.В., Силаев A.C. 16-канальная СИМС ЗЧУ для микрополосковых детекторов // Научная сессия МИФИ - 2007. Сб. научн. трудов. Т.1. М.: МИФИ, 2007. - С. 130.

12. Э.В. Аткин, Ю.А. Волков, А.Г. Воронин, A.B. Смирнов, A.C. Силаев, В.А. Толочко. 8-канальный зарядочувствительный усилитель в интегральном исполнении // Научная сессия МИФИ - 2006. Сб. научн. трудов. Т.1. М.: МИФИ, 2006. С.152-155.

13. Atkin Е., Bocharov Yu., Ilyushchenko I., Klyuev A., Silaev A., Simakov A., Smirnov A., Voronin A., Ejov V., Fedenko A. Development of building blocks for data driven architecture for the CBM microstrip detectors // CBM progress report. - 2006. - P.146-149.

14. E.Atkin, Yu.Volkov, A.Voronin, A.Smirnov, A.Silaev, V.Tolochko 0.18um CS A ASIC for Microstrip Detectors // Proceedings of XX-th International Symposium on Nuclear Electronics. - 2005. - P.89-92.

15. Масленников В.В., Демин A.A., Зо Мин Аунг, Силаев A.C. Возможности реализации гираторных фильтров на основе аналоговых базовых матричных кристаллов // Радиотехника, 2005. -№12. - С.87-95.

16. Аткин Э.В., Ильющенко И.И., Силаев A.C. Амплитудный канал обработки сигналов микрополосковых детекторов // Научная сессия МИФИ - 2005. Сб. научн. трудов. Т.1. М.: МИФИ, 2004. - С. 171-172.

17. Силаев A.C. Моделирование характеристик зарядо-чувствительного усилителя сигналов кремниевых детекторов // Электроника микро- и наноэлектроника . Сб. науч. трудов / Под ред. В.Я. Стенина. -М: МИФИ, 2004. -С. 120-122.

18. Е. Atkin, A. Demin, A. Goldsher, I. Ilyushchenko, M. Khokhlov, V. Maslennikov, V. Meshcheriakov, A.Siaev, Yu. Volkov Development of les for Radiation Detector Signal Read-Out, Based on Analog Semicustom Arrays // Proceedings of XIX International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. -2003. -P.74-81.

19. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Дмитриев Ю.В., Ильющенко И.И., Мишин Ю.Н., Плешко А.Д, Силаев A.C., Субботин В.Т., Черников В.И. Оптоэлектронный блок регистрации сигналов детекторов ионизирующих излучений // Электроника микро- и наноэлектроника . Сб. науч. трудов. -М: МИФИ, 2003. - С.106-113.

20. Жуков B.C., Силаев A.C. Моделирование статических характеристик биполярного транзистора при масштабировании //

Электроника микро- и наноэлектроника . Сб. науч. Трудов / Под ред. В.Я. Стенина.-М: МИФИ, 2003. - С.90-91.

21. Силаев A.C. Экспериментальные и теоретические исследования зависимости сопротивления полупроводникового резистора от температуры // V Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». МГАПИ. - 2002. - С. 188-191.

Свидетельства о государственной регистрации ТИМС

1. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Воронин А.Г., Силаев A.C. Шестнадцатиканальная интегральная микросхема малошумящего зарядочувствительного усилителя // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС ФИПС №2010630036 от 03.03.2010.

2. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Воронин А.Г., Силаев A.C. и др. Тридцатидвухканальная интегральная микросхема для проекта «Нуклон» федерального космического агентства Роскосмос // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС ФИПС №2010630090 от 08.09.2010.

3. Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Волков Ю.А., Силаев A.C. и др. Четырехканальная специализированная интегральная микросхема для считывания сигналов микрополосковых кремниевых детекторов // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС ФИПС №2010630091 от 17.09.2010.

Список отчетов по НИОКР, в которые вошли результаты диссертации

1. Микросистема на кристалле с новой архитектурой, управляемой потоком данных, для многоканальных микрополосковых детекторов. Итоговый отчет. М.: МИФИ, 2005.

2. Развитие и исследование новых методов селекции обрабатываемых аналоговых данных и их логической фильтрации. Отчеты за 1-3-й этапы проекта ФЦП №2.2.2.2/1906 - № ГР01200963038. М.: НИЯУ МИФИ, 2009.

3. Исследование и развитие новых методов построения считывающей электроники, управляемой потоком данных, для многоканальных датчиков в ядерно-физических экспериментах. Отчет за 1-3-й этапы проекта ФЦП №2.1.2/2877- № ГР012009606/74. М.: НИЯУ МИФИ, 2009.

4. Разработка и исследование электронной компонентной базы нового поколения для ядерно-физической и космической аппаратуры. Отчет за 1-й этап ФЦП №2010-1.1-219-141-022 - №ГР01201064154. М.: НИЯУ МИФИ, 2010.

Автор выражает свою благодарность и признательность за помощь и внимание профессору Волкову Юрию Алексеевичу, а также к.т.н. Аткину Эдуарду Викторовичу и к.ф.-м.н. Меркину Михаилу Моисеевичу за неоценимые научные консультации соответственно по вопросам проектирования микроэлектронных схем и кремниевых микрополосковых детекторов.

Подписано в печать:

16.11.2010

Заказ № 4559 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 \vw\v.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Анализ литературных источников

1.1 Характеристики кремниевых детекторов и требования к 14 считывающей электронике

1.2 Характеристики интегральных микросхем для аналога- 16 цифровых устройств

1.3 Структурные схемы аналого-цифровых устройств

1.4 Критерии качества аналого-цифровых устройств

1.5 Технологическая реализация устройств. Выбор технологии

1.6 Выводы

ГЛАВА 2 Методика сквозного проектирования, структурное и 37 схемотехническое проектирование узлов

2.1 Этапы сквозного проектирования

2.2 Принципы построения аналоговых узлов. Выбор и 41 обоснование структурной схемы

2.3 Состав входной части амплитудного канала

2.4 Структурные схемы головных узлов амплитудного канала

2.5 Структурное (поведенческое) моделирование

2.6 Схемотехническое проектирование аналоговых узлов

2.7 Результаты схемотехнического моделирования

2.8 Оптимизация аналоговых узлов на примере источника 69 опорного напряжения

2.9 Амплитудный канал обработки сигналов детекторов 74 2.10 Выводы

ГЛАВА 3 Модель кремниевого микрополоскового детектора

3.1 Характеристики микрополоскового детектора эксперимента 79 НУКЛОН

3.2 Анализ моделей и эквивалентных схем

3.3 Маршрут (методика) проектирования

3.4 Технологический процесс изготовления

3.5 Вольт-амперные характеристики

3.6 Вольт-фарадные характеристики

3.7 Экспериментальные данные

3.8 Экстракция SPICE параметров

3.9 Выводы

ГЛАВА 4 Практическая реализация аналого-цифровых устройств

4.1 Маршрут топологического проектирования

4.2 Специализированная интегральная микросхема 8-и 116 канального зарядочувствительнго усилителя международного проекта СВМ

4.3 16-и канальная специализированная интегральная микросхема малошумящего зарядочувствительного усилителя российского проекта НУКЛОН

4.4 4-х канальное аналого-цифровое устройство амплитудной 131 обработки

4.5 32-х канальная ИМС амплитудной обработки сигналов 138 микрополосковых детекторов НУКЛОН

4.6 Выводы 147 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ. АКУТАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

В настоящее время в развитии современной аппаратуры физического эксперимента наблюдается тенденция увеличения количества детекторов ионизирующего излучения, а следовательно и такого же увеличения электронных каналов съема и обработки сигналов этих детекторов. Число каналов в крупных международных экспериментах таких, как LHC, ALICE, ATLAS, CMS в CERN (Швейцария), PHENIX и STAR в BNL (США), СВМ в FAIR (Германия), НУКЛОН (Россия) достигает более сотен тысяч каналов. Естественно, что с каждым годом предъявляются все более жесткие требования к характеристикам этих каналов, как в плане массогабаритных, так и в части электрических параметров.

Данная диссертация неразрывно связана с проектированием электронной аппаратуры для российского эксперимента НУКЛОН, направленного на изучение космических излучений (Роскосмос), и для международного эксперимента СВМ, направленного на изучение сжатой барионной материи (FAIR, Германия). В упомянутых экспериментах используются многоканальные кремниевые микрополосковые детекторы. Основная часть задач амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов решается аналого-цифровыми устройствами, включающими в себя: зарядочувствительный усилитель, усилитель-формирователь, устройство выборки хранения (пиковый детектор), источник опорного напряжения, мультиплексор, выходной драйвер (аналого-цифровой преобразователь).

Создание систем сбора и обработки данных такого масштаба диктует необходимость выполнения всей электроники считывания в микроэлектронном исполнении в виде сложно-функциональных специализированных интегральных микросхем (СИМС), выполненных по современным КМОП технологиям с проектными нормами 0,18.0,35 мкм.

Разработка таких сложных микросхем возможно лишь с применением передовых САПР компаний Cadence Design Systems, Mentor Graphics и Synopsys.

Улучшение электрических характеристик многоканальных систем сбора и обработки сигналов в настоящее время связано в первую очередь с улучшением характеристик их входной аналоговой части: потребления, динамического диапазона, эквивалентного шумового заряда, коэффициента усиления, полосы пропускания и др.

Анализ существующих СИМС показал, что на сегодняшний день отсутствуют микросхемы для работы от микрополосковых детекторов с необходимыми характеристиками, такими как потребление (единицы милливатт на канал) и динамический диапазон (сто пико кулон).

Поэтому разработка аналого-цифровых устройств в интегральном исполнении представляется весьма актуальной научно-технической задачей, направленной в конечном счете на улучшение характеристик электронной аппаратуры физических и космических экспериментов. Актуальной задачей является также оптимальное согласование микрополоскового детектора с амплитудным каналом обработки сигналов.

Вопросам теории и практики аналого-цифровых устройств для физических экспериментов посвящено большое количество публикаций и докладов на международных и российских конференциях. Заметный вклад в данную тематику внесли отечественные специалисты таких коллективов, как Курчатовский институт, ИФВЭ, ИТЭФ, ОИЯИ, НИИМА, СНИИП, НИИЯФ МГУ, ИЯИ РАН, ИПУ РАН и др.

Целью диссертации является развитие методики сквозного проектирования современных аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов и создание комплекса специализированных интегральных микросхем для физических и космических экспериментов.

Для достижения данной цели использован комплексный подход, включающий решение следующих задач:

• Анализ структурных и принципиальных схем микроэлектронных аналого-цифровых устройств и отдельных узлов физической аппаратуры обработки сигналов кремниевых детекторов.

• Исследования и разработка зарядочувствительного усилителя с широким динамическим диапазоном.

• Исследования и разработка других узлов аналогового канала: усилителя формирователя, устройства выборки хранения, источника опорных потенциалов, выходного драйвера.

• Обоснование критериев качества аналого-цифровых устройств.

• Анализ эквивалентных схем кремниевых микрополосковых детекторов и создание методики экстракции их SPICE параметров.

• Разработка методики топологического проектирования аналого-цифровых устройств, включающей создание высокоточных и согласованных элементов (дифференциальных пар, точностных конденсаторов и резисторов), входных транзисторов с эквивалентной шириной канала до нескольких десятком миллиметров, учет взаимного влияния каналов.

• Проведение тестирования разработанных СИМС.

При моделировании аналого-цифровых устройств и отдельных узлов амплитудного канала обработки сигналов использовались последние версии программных продуктов САПР компаний Cadence Design Systems и Mentor Graphics, а также технологических библиотек компаний изготовителей UMC (Тайвань), AMIS/OnSemi (Бельгия). Для технологического моделирования кремниевых микрополосковых детекторов использован комплекс программ Sentaurus (TCAD) компании Synopsys.

Все основные аналитические результаты диссертации подтверждены в первую очередь моделированием на современных САПР (указанных выше компаний), а также сравнением расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы может быть охарактеризована следующими положениями:

1. Разработана методика проектирования аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки, позволяющая проводить сквозное проектирование специализированных интегральных микросхем на основе современных САПР и с использованием технологических библиотек компаний изготовителей.

2. Разработаны оригинальные структурные, схемотехнические и конструктивно-топологические методы (решения) реализации узлов амплитудного канала обработки сигналов детекторов.

3. Создана методика экстракции параметров SPICE модели микрополоскового детектора, позволяющая в едином цикле анализировать детектор и амплитудный канал, что весьма важно при решении задачи оптимального согласования детектора и считывающей электроники.

4. Предложены критерии качества микроэлектронного канала амплитудной обработки, включающие его важные характеристики: потребление, эквивалентный шумовой заряд, динамический диапазон, коэффициент усиления и занимаемую площадь на кристалле.

Практическая значимость и внедрение научных результатов диссертации заключается в следующем:

• Впервые спроектирована и изготовлена 32-х канальная специализированная интегральная микросхема амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с динамическим диапазоном более ЮОпКл, не имеющая аналогов в России и за рубежом. Получено свидетельство о государственной регистрации топологии данной микросхемы №2010630090 от 08.09.2010 г., реализованной по КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм.

• Разработан комплекс специализированных интегральных микросхем для физических и космических экспериментов СВМ и НУКЛОН:

• 8-и канальный зарядочувствительный усилитель с компенсацией токов утечек (до 1мкА);

• 16-и канальный малошумящий зарядочувствительный усилитель с эквивалентным шумовым зарядом менее 2000 электрон при емкости детектораЮО пФ;

• 4-х и 6-и канальные аналого-цифровые устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с энергопотреблением менее 2,0 мВт/канал.

Данные микросхемы изготовлены по КМОП технологии с проектными нормами 0,18.0,35 мкм. На две из них получены свидетельства о регистрации их топологий №2010630036 и №2010630091.

Основные положения, представляемые к защите могут быть охарактеризованы следующим образом:

1. Методика сквозного проектирования аналого-цифровых микроэлектронных устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов с использованием современной КМОП технологии и передовых САПР.

2. Результаты структурного, схемотехнического и топологического проектирования принципиальных узлов канала амплитудной обработки сигналов.

3. Методика создания SPICE модели микрополосковго детектора, позволяющая в едином цикле проектирования решать задачи согласования детектора со считывающей электроникой.

4. Критерии качества аналого-цифровых устройств амплитудной обработки, использование которых позволяет количественно сравнивать характеристики разрабатываемых устройств.

5. Комплекс специализированных интегральных микросхем для физических и космических экспериментов СВМ и НУКЛОН.

Основные положения диссертации апробированы автором на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах:

- International Symposium on Nuclear Electronics and Computing, Varna, Bulgaria, 2003, 2005 и 2009 г.г.

- Российской научно-технической конференции «Электроника," микро- и наноэлектроника», 2003, 2004, 2007 и 2010 г.г.

- Научных сессиях НИЯУ МИФИ в период с 2005 по 2010 г.г.

- Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» МГАПИ, 2002 г.

Материалы, вошедшие в диссертацию, отражены в четырех научно-исследовательских опытно-конструкторских работах (НИОКР):

- Микросистема на кристалле с новой архитектурой, управляемой потоком данных, для многоканальных микрополосковых детекторов. Итоговый отчет. М.: МИФИ, 2005.

- Развитие и исследование новых методов селекции обрабатываемых аналоговых данных и их логической фильтрации. Отчеты за 1-3-й этапы проекта ФЦП №2.2.2.2/1906 - № ГР01200963038. М.: НИЯУ МИФИ, 2009.

- Исследование и развитие новых методов построения считывающей электроники, управляемой потоком данных, для многоканальных датчиков в ядерно-физических экспериментах. Отчет за 1-3-й этапы проекта ФЦП №2.1.2/2877- № ГР012009606/74. М.: НИЯУ МИФИ, 2009.

- Разработка и исследование электронной компонентной базы нового поколения для ядерно-физической и космической аппаратуры. Отчет за 1-й этап ФЦП №2010-1.1-219-141-022 - №ГР01201064154. М.: НИЯУ МИФИ, 2010.

По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа (из них 4 без соавторов), в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, получено 3 свидетельства о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 114 наименования.

4.6 Выводы

На основе выполненных теоретических исследований, предложенных методик проектирования аналоговых трактов съема и обработки информации кремниевых микрополосковых детекторов и в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современной научной аппаратуре физического эксперимента, в честности СВМ и НУКЛОН, с непосредственным участием автора спроектирован ряд специализированных интегральных микросхем по современным проектным нормам 0,18. 0,35 мкм КМОП технологии. Разработанные микросхемы аналоговых трактов изготовлены на зарубежных фабриках UMC (Тайвань) и AMIS (Бельгия), через европейскую организацию EUROPRACTICE, используя программы MPW и mini ASIC. Среди них интегральные микросхемы, содержащие принципиальные узлы аналогового тракта:

8-ми канальная СИМС зарядочувствительного усилителя с компенсацией токов утечки детектора до 1мкА международного проекта СВМ, Германия. Состоящая из ядра ЗЧУ с входным транзистором W= 1,2 мм, источника задания опорных потенциалов и схемы обратной связи, служащая для компенсации токов утечки. Микросхема реализована по 0,18 мкм КМОП технологии, с потреблением 1,2 мВт/канал;

16-ти канальная СИМС малошумящего зарядочувствительного усилителя, с эквивалентной шириной канала W= 50 мм. Микросхема реализована по КМОП технологии с проектными нормами 0,18 мкм российского проекта НУКЛОН. В состав ИС входит операционный усилитель, который может быть использован для построения усилителя формирователя и буферного усилителя в аналоговых узлах тракта УВХ и выходного драйвера. Разработанная топология зарегистрирована ФГУ ФИПС;

- 6-ти канальная СИМС «Нуклон-16» аналогового тракта проекта НУКЛОН. В составе которой: ЗЧУ, усилитель формирователь, УВХ, ИОН, выходной драйвер. Данная микросхема является прототипной при разработке многоканальной СИМС;

- 32-х канальная СИМС «Нуклон-32» со сверх широким динамическим диапазоном. Разработанная микросхема предназначенна для космической научной аппаратуры проекта НУКЛОН. При проектировании данной микросхемы реализован динамический диапазон, который еще не был достигнут ни в одной серийной интегральной схеме более ЮОпКл. Одним из достоинств микросхемы по сравнению с ее ближайшими аналогами является и минимизация потребляемой мощности - менее 2 мВт/канал.

Используя предложенную методику проектирования топологии аналоговых узлов и тракта в целом удалось улучшить характеристики узлов и тракта в целом, исключительно только топологическими средствами на 10. 20%.

Целесообразней, сточки зрения отработки структурных решений и схемотехнических решений отдельных узлов, а также для снижения стоимости производства прототипных образцов разрабатывать микросхемы с малым количеством каналов - 4-х и 6-х канальные варианты СИМС.

По совокупности своих технико-экономических показателей, разработанная 32-х канальная СИМС аналогового тракта превосходит известные разработки, в первую очередь по динамическому диапазону и потребляемой мощности. Другие же реализованные СИМС конкурируют с лучшими зарубежными образцами, к примеру по шумовым характеристикам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный результат заключается в развитии методики сквозного проектирования аналого-цифровых устройств амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов на основе современных САПР (Cadence, Mentor Graphics, Synopsys), что позволило в конечном счете реализовать комплекс микросхем по полупроводниковой КМОП технологии с проектными нормами 0,18. 0,35 мкм для электронной аппаратуры космического эксперимента НУКЛОН (Роскосмос, Россия) и международного физического эксперимента СВМ (FAIR, Германия).

Основной теоретический результат

В диссертации созданы, развиты и обоснованы методики проектирования, модели и критерии оценки устройств амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов, позволяющие существенно сократить время разработки и обеспечить точность требуемых характеристик.

Частные теоретические результаты

Развита общая методика проектирования аналоговых трактов, включающая выбор элементной базы, параметрическую оптимизацию узлов тракта с учетом Corner и Monte Carlo анализа, выбор наилучшего варианта, разработку топологии и моделирование с учетом экстракции паразитных элементов, данная методика позволяет достичь оптимального комплекса параметров.

Предложены критерии качества аналого-цифровых устройств и их отдельных узлов, позволяющие проводить сравнение различных вариантов данных устройств. Проведен сравнительный анализ известных на сегодняшний день специализированных интегральных микросхем.

Предложен и обоснован способ расширения динамического диапазона зарядочувствительного усилителя.

Создана методика расчета параметров эквивалентной схемы микрополоскового детектора, позволяющая моделировать детектор и считывающую электронику в едином цикле проектирования.

Основной практический результат

Впервые разработана и реализована отечественная 32-х канальная специализированная интегральная микросхема для съема и обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов по полупроводниковой КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм, с широким динамическим диапазоном - более 100 пКл и низким потреблением - менее 2,0 мВт/ канал.

Частные практические результаты

Спроектирован и реализован комплекс специализированных интегральных микросхем для использования в составе амплитудных аналого-цифровых трактов для многоканальных микрополосковых детекторов:

- 4-х и 6-и канальные прототипные аналого-цифровые устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов;

- 8-и канальный зарядочувствительный усилитель с компенсацией токов утек детектора до 1мкА;

- 16-и канальный малошумящий зарядочувствительный усилитель с эквивалентным шумовым зарядом менее 2000 электронов.

Разработанные микросхемы реализованы по современным КМОП технологиям с проектными нормами 0,18. 0,3 5 мкм. Оригинальность топологий микросхем подтверждена свидетельствами о государственной регистрации.

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее главная цель - развита методика сквозного проектирования микроэлектронных аналого-цифровых устройств амплитудной обработки сигналов кремниевых микрополосковых детекторов, а также разработана и реализована не имеющая аналогов в России и за рубежом 32-х канальная специализированная микросхема с широким динамическим диапазоном и малым потреблением. Данная микросхема позволяет заметно улучшить качество физической и космической аппаратуры.

1. Daniel Dzahini. Development of a DMILL radhard multiplexer for the ATLAS Glink optical link and radiation test with a custom Bit ERror Tester. ATLAS Liquid Argon Collaboration, 2001. P. 11-15.

2. Facility for Antiproton and Ion Research. The CBM (Compressed Baryonic Matter) Experiment. Материалы сайта www.gsi.de/fair/experiments/CBM/

3. Compressed Baryonic Matter Experiment. Technical Status report // Darmstadt, January 2005, 406 pp.

4. Specifications VA32HDR11, Ideas ASA. http://www.ideas.no

5. Specifications VA32HDR12, Ideas ASA. http://www.ideas.no

6. Specifications VA32HDR14.2, Ideas ASA. http://www.ideas.no

7. SVX4 User's Manual. FERMILAB-TM-2318-E, 2005.

8. ATLAS Internal Document, ASD Amplifier-Shaper-Discriminator. Preliminary Design Review Report, 2001.

9. L.L. Jones, M.J. French, Q. Morrissey, A. Neviani, M. Raymond. The APV25 deep submicron readout chip for CMS detectors, 2005.

10. M. Feurstack-Raible, HELIX 128S-2 user manual version 1.9, Tech. Report 33-0697, HD-ASIC, 1997.

11. J.F. Genat, Т.Н. Pham, A. Savoy-Navarro. Silicon strip detectors readout chip in deep sub-micron CMOS technology, EUDET. December, 2007.

12. G. Baldazzi, D. Bollini, A.E. Cabal Rodriguez, W. Dabrowski at all. A silicon strip detector coupled to the RX64 ASIC for X-ray diagnostic imaging. Elsevier, Nuclear instruments and methods in physics research. 2003. P.206-214.

13. B. Shi, H. Takahashi, J.Y. Yeom, Yu. Takada at all. Characteristics of 16-channel ASIC preamplifier board for microstrip gas chamber and animal PET. Journal of Nuclear Science and Technology, vol44, No.l 1, 2007. P.1356-1360.

14. A.Savoy-Navarro, J.F. Genat, Th.H. Pham at all. A new 130nm F.E readout chip for Si microstrip detectors. EUDET, SiLC R&D collaboration. LCWS/ILC 2008. http://www.win2pdf.com/fii i

15. D.M. Pettersen, S. Mikkelsen, J. Talebi, D. Meier. A readout ASIC for SPECT. IEEE NSS, N45-1, October, 2004. P.l-7.

16. Specifications ASIC SPECT, Ideas ASA. http://www.ideas.no

17. D. Baumeister. Development and characterization of a radiation hard readout chip for the LHCb-experiment. PhD thesis of the Rupertus Carola University of Heidelberg, Germany, 2003.

18. E. Sexauer. Development of radiation hard readout electronics for LHCb. PhD thesis of University of Heidelberg, 2001.

19. S. Lochner. Development, optimization and characterization of a radiation hard mixed-signal readout chip for LHCb. PhD thesis (Heidelberg), 2006.

20. Adrian Sorin Niculae. Development of a low noise analog readout for a DEPFET pixel detector. PhD thesis at University of Siegen, 2004.

21. EUROPRACTICE. Материалы сайта http://www.europractice.com

22. EUROPRACTICE 1С Service. Материалы сайта europractice.imec.be/

23. M. Dhellot, J. David, S. Fougeron et al. Front-end electronics for silicon trackers readout in deep sub-micron CMOS technology the case of silicon strips at the ILC. Technical report, 2002.

24. Alan Ruge. Noise simulation using PSpice for semiconductor detectors and associated electronics. Computing for Engineers, 1996. P. 11-12.

25. D. Lynn, R. Bellwied, R. Beuttenmuller, H. Caines et al. The STAR silicon vertex tracker: a large area silicon drift detector. 8th International Workshop on Vertex Detectors (VERTEX 99), The Netherland, June 1999. P. 14.

26. CMS. The Compact Muon Solenoid Technical Proposal, http://cms.web.cern.ch/cms/index.html, 2009.

27. Yarema R., Christian D., Demarteau M. et al. 3-D 1С pixel electronics: The next challenge // CERN-2008-008, 2008. 5pp, Published in Naxos 2008, Electronics for particle physics 183-187.

28. Zervakis E., Papananos Y., Loukas D. A High-Counting-Rate Readout System for X-ray Applications. IEEE Nuclear Science, Vol. 51, No. 3, June 2004.

29. Noulis Т., Siskos S., Sarrabayrouse G. Development and testing of an advanced CMOS readout architecture dedicated to X-rays silicon strip detectors // CERN, 2008. Published in Naxos 2008, Electronics for particle physics P. 397-401.

30. Atkin E., Bocharov Yu., Ilyushchenko I., Klyuev A., Silaev A., Simakov A., Smirnov A. Development of building blocks for data driven architecture for the CBM microstrip detectors // CBM progress report, 2006. P. 146-149.

31. Manghisoni M., L. Ratti, Hoff J. et al. FSSR2, a self-triggered low noise readout chip for silicon strip detectors. 2005 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Oct. 2005, Vol. 2, pp. 896- 900 Computing. 2003. -P.74-81.

32. Wong W., Ballabriga R., Campbell M., Heijne E., Llopart X., Tlustos L. Design considerations for area-constrained in-pixel photon counting in Medipix3 // CERN, 2008. Published in Naxos 2008, Electronics for particle physics 539-543.

33. Силаев A.C. Моделирование характеристик зарядо-чувствительного усилителя сигналов кремниевых детекторов // Электроника микро- и наноэлектроника . Сб. науч. трудов / Под ред. В.Я. Стенина. М: МИФИ, 2004. -С.120-122.

34. Ковальский Е. Ядерная электроника. М.:Атомиздат, 1972. - 360с.

35. Цитович А.П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984.

36. Глушковский М.Е. Быстродействующие амплитудные анализаторы в современной ядерной физике и технике. М.: Энергоатомиздат, 1986.

37. Т.М. Агаханян, В.Г. Никитаев. Электронные устройства в медецинских приборах: Учебное пособие. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. -510с.

38. Агаханян Т.М., Никитаев В.Г. Электронные устройства в медицинских приборах: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 480 с.

39. Агаханян Т.М. Проектирование электронных устройств на интегральных операционных усилителях: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. - 856 с.

40. Virtuoso ultrasim full-chip fastspice simulator datasheet. Cadence, 2006.

41. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. М.: Горячая линия - Телеком. — 2005. — 454 с.

42. Solutions for mixed-signal soc implementation // White paper. Cadence Design Systems, Inc, 2009.

43. Encounter data sheet (4137H 08/04). Cadence Design Systems, Inc, 2009.

44. Самосадный A.B. Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки данных. 41. РSpice-моделирование электронных схем. Учебно-методическое пособие. М.: МИФИ, 2008. 244 с.

45. Самосадный А.В. Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки данных. 42. Основные методы проведения PSpice-расчетов электронных схем. Учебно-методическое пособие. М.: МИФИ, 2008. -304 с.

46. Силаев А.С. Оптимизация характеристик источника опорного напряжения // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. / Под ред. В .Я. Стенина. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 221-224.

47. Е. Atkin, I. Ilyushchenko, D. Semenov, A. Silaev, A. Voronin. Optimization of a CSA 1С for silicon microstrip detectors // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. 2009. - P. 54-56.

48. Силаев А.С. Микромощный ФАПЧ с умножением частоты // Научная сессия МИФИ 2009. Аннотации докладов. Т.1. Ядерная физика и энергетика М.'.МИФИ, 2009.-С.187.

49. Yu.A. Volkov, A.S. Silaev. A micropower phase-locked loop 1С for processing the signals of silicon detectors // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. 2009. - P. 247-249.

50. Масленников B.B., Демин A.A., Зо Мин Аунг, Силаев А.С. Возможности реализации гираторных фильтров на основе аналоговых базовых матричных кристаллов // Радиотехника, 2005. №12. - С.87-95.

51. Аткин Э.В., Ильющенко И.И., Силаев А.С. Амплитудный канал обработки сигналов микрополосковых детекторов // Научная сессия МИФИ -2005. Сб. научн. трудов. T.l. М.: МИФИ, 2004. С.171-172.

52. Kazuhiko Нага, Koki Inoue, Ai Mochizuki at all. Development of radiation hard N+ -on- P silicon microstrip sensors for Super LHC. IEEE, Transactions on Nuclear Science, Vol. 56, NO 2, April 2009. P.468-473.

53. W.Adam, E.Berdermann et al. Microstrip sensors based on CYD diamond. NH Elsevier. 2000. P.141-148.

54. U. Kotz et al. Silicon strip detectors with capacitive charge division, Nucl. Instr. and Meth. A235 P.481-487.

55. A. Peisert. Silicon microstrip detectors, in Instrumentation in high energy physics, edited by F. Sauli, World Scientific Editing Company, Singapore, 1992

56. G. Bagliesi et al. A double sided readout silicon strip detector: a new device for vertex detection in high energy experiments. INFN PIAE. 1986.

57. Lawrence Lin, Jeff Richman, Sam Burke. Frequency response properties of the silicon Vertex detector for BaBar. 2001. P. 1-27.

58. S. Albergo, M. Angarano, P. Azzi at all. The silicon microstrip tracker for CMS. INC, Vol.112, November, 1999. P.1307-1316.

59. T. Dottorato. Microstrip detectors and front-end electronics: performance, Spice simulations and dielectric reliability issues. Dipartimento di eletronica e informatica. 1998.

60. G. Bertuccio, S. Caccia, D. Tosi. A silicon carbide microstrip and pixelthdetector for radiation spectroscopic imaging. 9 International Workshop on Radiation Imaging Detctors, IWORID. Germany, July, 2007.

61. E. Babucci, P. Bartalini, G. Bilei, S. Bizzagla et al. Temperature dependence of the behavior of a single-sided irradiated silicon detectors. CMS, 1998. P.1-10.

62. Celeste Fleta, Manuel Lozano, Giulio Pellegrini et al. P-spray implant optimization for the fabrication of n-in-p microstrip detectors. 7th International position Sensitive Detectors Conference. Liverpool, 12-16 September 2005.

63. Gabriele Giacomini. Noise characterization of silicon strip detectors. PhD thesis at University "Universita degli studi di Trieste". 2008.

64. Silvia Masciocchi. Silicon microstrip detectors and the measurement of lifetimes of charmed hadrons. PhD thesis at University Heidelberg. 1996.

65. H. Баранова, Г. Башинджагян, А. Воронин, С. Голубков, Н. Егоров и др. Кремниевые ионно-имплантированные детекторы для адрон-электронного сепаратора установки ZEUS (DESY). Препринт НИИ ЯФ МГУ 95-43/407. Москва, 1995. Р. 19.

66. А. Ародзеро, Г. Башинджагян, А. Воронин и др. Кремниевые ионно-имплантированные падовые детекторы площадью 25 см для физики высоких энергий. Препринт НИИЯФ МГУ, Москва 1990. Р. 16.

67. Г. Башинджагян, А. Воронин, Д. Карманов, Е. Кузнецов, М. Меркин, А. Савин. Конструкция и особенности электроники детекторной части адрон-электронного сепаратора эксперимента ZEUS (DESY). Препринт НИИЯФ МГУ-2000-3/607. Москва, 2000 Р. 31.

68. ISE TCAD Sentaurus Version C-2009: Users manual. Zurich, 2009. 1058 p.

69. ISE TCAD Sentaurus. Dios: Users manual. 457p.

70. N.Baccetta, D.Biselo. HSPICE simulations of Si microstrip detectors. NH Elsevier. 1998. P. 142-146.

71. N.Baccetta, D.Bisello et al. A SPICE model of double-sided Si microstrip detectors. IEEE,10.0. 1997. P.568-572.

72. N.Baccetta, D.Bisello et al. A SPICE model for Si microstrip detectors and read-out electronics. IEEE June 1996. Vol 43. P.1213-1219.

73. Silvia Masciocchi. Silicon microstrip detectors and the measurement of lifetimes of charmed hadrons. HEIDELBERG, 1996. 190p.

74. N.Baccetta. A network analysis of signal propagation in Si microstrip detectors. IEEE, 0-7803-2544-3. 1995. P.679-683.

75. A. Candelori, A. Paccagnella, F. Bonin. A SPICE model of double-sided Si microstrip detectors. IEEE, 1997. P.568-572.

76. A. Candelori, A. Paccagnella et al. A SPICE model of the ohmic side of double-sided Si microstrip detectors. IEEE, Transactions on Nuclear Science, Vol.44, N 3, 1997. P.728-735.

77. A. Candelori, A. Paccagnelle et al. Breakdown of coupling dielectrics for Si microstrip detectors. 3-rd International conference on large scale applications and radiation hardness of silicon detectors, Firenze, October, 1997. Vol. 112. P.87-93.

78. S. Albergo, M. Angarano, P. Azzi et al. High voltage operation of heavily irradiated silicon microstrip detectors. CMS Conference Report, 1999.

79. D. Passeri, A. Scorzoni et al. Physical modeling of silicon microstrip detectors: influence of the electrode geometry on critical electric fields. IEEE, Nuclear Science Symposium, /Transactions on Nuclear Science/, October 1999.

80. N. Bacchetta, D. Bisello, A. Candelori et al. SPICE analysis of signal propagation in Si microstrip detectors. IEEE, Transactions on Nuclear Science, Vol. 42, NO 4, August, 1995. P.459-466.

81. A. Candelori, A. Paccagnella, F. Nardi et al. SPICE evaluation of the S/N ratio for Si microstrip detectors. Nuovo Cimento, Vol. 112, NO 1-2, 1999. P.75-85.

82. Y.K. Choi, Y.I. Choi, D.H. Shim, H.Park. A simulation study and design of the double-sided silicon microstrip detector. APPI report. Japan, 2005. P.33.

83. R. Bainbridge, P. Barrillon, G. Hall et al. Production testing and quality assurance of CMS silicon microstrip tracker readout chips. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research /Elsevier. 2005. P.619-644.91. http://www.wacker.com

84. A. Peisert. Silicon microstrip detectors, in Instrumentation in high energy physics, edited by F. Sauli, World Scientific Editing Company, Singapore, 1992.

85. D. Passeri, P. Ciampolini, G. Bilei et al. Optimization of overhanging metal microstrip detectors: test and simulation. IEEE, Transactions on Nuclear Science, Vol. 48, 2002. P.249-253.

86. St. Heule, F. Lehner. Simulation of signal generation in silicon micro-strip detectors for the Silicon Tracker of the LHCb experiment. LHC note, December, 2003. P.1-16.

87. N. Maslov, O. Starodubtsev. Full depletion voltage and separation voltage for a double-sided microstrip detector. PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. Series: 160 Nuclear Physics Investigations 2006. P.160-162.

88. S. Masciocchi et al. Capacitance measurements on silicon microstrip detectors, IEEE, Transactions on Nuclear Science, Vol. 40, No. 4, August 1993. P. 328-334.

89. M.A. Frautschi, M.R. Hoeferkamp, S.C. Seidel. Capacitance Measurements of Double-Sided Silicon Microstrip Detectors. Nucl. Instr. and Methods. 1996, V.A378, p.284-296.

90. V.Chabaud et al. Beam test results from a prototype for the DELPHI microvertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A292, 1990. P. 75-80.

91. Жуков B.C., Силаев А.С. Моделирование статических характеристик биполярного транзистора при масштабировании // Электроника микро- инаноэлектроника . Сб. науч. Трудов / Под ред. В.Я. Стенина. — М: МИФИ, 2003. — С.90-91.

92. Воронин А.Г., Меркин М.М., Силаев А.С. SPICE модель кремниевого микрополоскового детектора // Научная сессия МИФИ — 2010. Аннотации докладов. Т.1. Ядерная физика и энергетика М.: НИЯУ МИФИ, 2010. С. 158.

93. Yu.A. Volkov, A.S. Silaev. Silicon microstrip detector model for read-out electronics // Proceedings of XXII International Symposium on Nuclear Electronics and Computing. 2009. - P. 250-252.

94. Э.В. Аткин, Ю.А. Волков, А.Г. Воронин, А.В. Смирнов, А.С. Силаев, В.А. Толочко. 8-канальный зарядочувствительный усилитель в интегральном исполнении // Научная сессия МИФИ 2006. Сб. научн. трудов. T.l. М.: МИФИ, 2006. С.152-155.

95. E.Atkin, Yu.Volkov, A.Voronin, A.Smirnov, A.Silaev, V.Tolochko 0.18um CSA ASIC for Microstrip Detectors // Proceedings of XX-th International Symposium on Nuclear Electronics. 2005. - P.89-92.

96. Аткин Э.В., Силаев А.С. 16-канальная СИМС ЗЧУ для микрополосковых детекторов // Научная сессия МИФИ 2007. Сб. научн. трудов. T.l. М.: МИФИ, 2007. - С. 130.

97. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Воронин А.Г., Силаев A.C. Шестнадцатиканальная интегральная микросхема малошумящего зарядочувствительного усилителя // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС ФИПС №2010630036 от 03.03.2010.

98. Аткин Э.В., Воронин А.Г., Клюев А.Д., Силаев A.C. Специализированная ИМС обработки аналоговых сигналов для кремниевых детекторов // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов / Под ред. В.Я. Стенина. М.: МИФИ, 2007. - С.107-112.

99. Atkin Е., Klyuev A., Silaev A., Fedenko A., Karmanov D., Merkin M., Voronin A. Integrated circuit readout for the silicon sensor test station // arXiv.org : Архив электронных препринтов. 2009. URL: http://arxiv.org/pdf/0906.2063vl.

100. Аткин Э.В., Волков Ю.А., Силаев A.C. и др. Интегральная микросхема для регистрации сигналов кремниевых детекторов // Приборы и техника эксперимента, 2010. — №2. С.62-73.

101. ASSURA parasitic extraction data sheet (5772 10/04), Cadence Design Systems, Inc, 2009.