A time-based front-end ASIC for the silicon micro strip sensors of the PANDA Micro Vertex Detector

Abstract

The PANDA experiment is one of the main scientific pillars of the future Facility for Antiproton and Ion Research, currently under construction in Darmstadt, Germany. It will investigate hadron physics measuring antipron-proton annihilation reactions. The antiproton beam with momenta between 1.5 GeV/c to 15 GeV/c, will allow to explore a broad physics program including hyperon, open-charm and exotic hadronic states.The Micro Vertex Detector (MVD) is the innermost sub-detector of the tracking system of the PANDA experiment. It is based on silicon sensors with pixel and micro strip segmentation and its main task is the precise spatial identification and measurement of primary and secondary decay vertices.This thesis describes the key features of the PANDA Strip ASIC (PASTA), a full-custom chip developed to read out the double-sided micro strip sensors of the MVD. PASTA aims at highly resolved time-stamping and charge information gathering through a time-digital approach. A Time to Digital Converter (TDC), allowing a time bin width down to 50 ps, measures the Time over Threshold (ToT) of the sensor signals processed by a application specific, newly developed front-end amplifier. In particular, this thesis reports the theoretical studies yielding to the final implementation showing the performance of the front-end stage evaluated with professional simulation tools. Das PANDA-Experiment ist eines der Hauptexperimente an der geplanten Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), welche in Darmstadt errichtet wird. Mit dem Experiment soll die Erforschung der starken Wechselwirkung der Hadronenphysik mittels Antiproton-Proton Vernichtungsreaktionen ermöglicht werden. Der Antiprotonenstrahl mit Impulsen zwischen 1.5 GeV/c to 15 GeV/c erlaubt das Studium eines breiten Physikprogramms, inklusive Untersuchung von Hyperon, Open-Charm und exotischen hadronischen Kanälen.Der Mikrovertex-Detektor (MVD) ist die dem Interaktionspunkt am nächsten gelegene Detektoreinheit des Experimentes. Er basiert auf Siliziumsensoren in Pixel und Streifengeometrien, die die Erkennung und Vermessung von primären und sekundären Spurvertizes ermöglichen.Diese Arbeit beschreibt die grundlegenden Eigenschaften des PANDA Strip ASIC (PASTA), eines vollumfänglich für die Auslese der doppelseitigen PANDA-Streifensensoren entwickelten Chips. Die Architektur von PASTA wurde, im Sinne der Anforderungen an das Experiment, speziell für hohe Zeitauflösung und Ladungsmessung durch einen Zeit-Digitalen Ansatz entwickelt. Ein Zeit-Digitalwandler (TDC), ausgelegt auf eine Zeitbinbreite von 50 ps, erfasst den Time-over-Threshold (ToT) des Sensorsignals nach Verstärkung durch einen dediziert für die Anwendung entwickelten Front-End-Verstärker. Insbesondere ist in der Arbeit die theoretische Vorarbeit und das Design des Chips dokumentiert, welche zu der finalen Implementierung führten sowie das Verhalten der Front-End-Stufe, welche mit professionellen Simulationstools charakterisiert wurde.