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U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Comparative evaluation of analogue front-end designs for the CMS Inner Tracker at the High Luminosity LHC

Journal Article · · Journal of Instrumentation
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The CMS Inner Tracker, made of silicon pixel modules, will be entirely replaced prior to the start of the High Luminosity LHC period. One of the crucial components of the new Inner Tracker system is the readout chip, being developed by the RD53 Collaboration, and in particular its analogue front-end, which receives the signal from the sensor and digitizes it. Three different analogue front-ends (Synchronous, Linear, and Differential) were designed and implemented in the RD53A demonstrator chip. A dedicated evaluation program was carried out to select the most suitable design to build a radiation tolerant pixel detector able to sustain high particle rates with high efficiency and a small fraction of spurious pixel hits. The test results showed that all three analogue front-ends presented strong points, but also limitations. The Differential front-end demonstrated very low noise, but the threshold tuning became problematic after irradiation. Moreover, a saturation in the preamplifier feedback loop affected the return of the signal to baseline and thus increased the dead time. The Synchronous front-end showed very good timing performance, but also higher noise. For the Linear front-end all of the parameters were within specification, although this design had the largest time walk. This limitation was addressed and mitigated in an improved design. The analysis of the advantages and disadvantages of the three front-ends in the context of the CMS Inner Tracker operation requirements led to the selection of the improved design Linear front-end for integration in the final CMS readout chip.
Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
Contributing Organization:
Tracker Group of the CMS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359
OSTI ID:
1838472
Report Number(s):
FERMILAB-PUB--21-744-CMS; arXiv:2105.00070; oai:inspirehep.net:1861696
Journal Information:
Journal of Instrumentation, Journal Name: Journal of Instrumentation Journal Issue: 12 Vol. 16; ISSN 1748-0221
Publisher:
Institute of Physics (IOP)Copyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (16)

Pixel detectors with local intelligence: an IC designer point of view journal August 1991
Test results and prospects for RD53A, a large scale 65 nm CMOS chip for pixel readout at the HL-LHC journal August 2019
RD53A: A large-scale prototype chip for the phase II upgrade in the serially powered HL-LHC pixel detectors
  • Dimitrievska, Aleksandra; Stiller, Andreas
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 958 https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.04.045
journal April 2020
BDAQ53, a versatile pixel detector readout and test system for the ATLAS and CMS HL-LHC upgrades
  • Daas, M.; Dieter, Y.; Dingfelder, J.
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 986 https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164721
journal January 2021
The CMS Reconstruction Software journal December 2011
65 nm CMOS analog front-end for pixel detectors at the HL-LHC journal February 2016
A synchronous analog very front-end in 65 nm CMOS with local fast ToT encoding for pixel detectors at HL-LHC journal March 2017
LHC Machine journal August 2008
The CMS experiment at the CERN LHC journal August 2008
World Irradiation Facilities for Silicon Detectors conference May 2015
A high speed transmitter circuit for the ATLAS/CMS HL-LHC pixel readout chip conference July 2019
RD53A: a large scale prototype for HL-LHC silicon pixel detector phase 2 upgrades conference July 2019
A Clock and Data Recovery Circuit for the ALTAS/CMS HL-LHC Pixel Front End Chip in 65 nm CMOS Technology
  • Moustakas, Konstantinos; Rymaszewski, P.; Hemperek, T.
  • Proceedings of Topical Workshop on Electronics for Particle Physics — PoS(TWEPP2019) https://doi.org/10.22323/1.370.0046
conference April 2020
RD53 analog front-end processors for the ATLAS and CMS experiments at the High-Luminosity LHC conference September 2020
Serial Powering for the Tracker Phase-2 Upgrade conference September 2020
Prototype Module Construction for the High Luminosity Upgrade of the CMS Pixel Detector conference September 2020

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Conference · Mon Dec 30 23:00:00 EST 1996 · OSTI ID:512940