О ходе работ по подготовке регистрирующей электроники нижнего уровня (front-end) торцевых адронных калориметров по результатам рабочего совещания
(CMS week, march 2001).

Смирнов В.А.

1. Введение.

Регистрирующая электроника (РЭ) адронного калориметра CMS предназначена для считывания аналоговых сигналов с фотодатчиков и передачи оцифрованных данных в буфер памяти процессорной фермы, которая должна будет обеспечивать отбор событий 2-го и 3-го уровней.

Территориально элементы РЭ предполагается разместить в трех различных помещениях экспериментального комплекса CMS. Одна часть будет расположена в диспетчерской (control room), которая находится на поверхности, что приблизительно на 150 метров выше уровня туннеля ускорителя и зоны размещения экспериментальной установки. Вторая - в подземном служебном помещении (service room), защищенном от воздействия излучений ускорителя, и удаленном приблизительно на 100 метров от линии пучка. И третья - в подземном экспериментальном зале, через который проходит пучок.

Рис.1. Основные элементы регистрирующей электроники адронного калориметра.

Функционально в комплексе аппаратуры РЭ можно выделить две части. Это - регистрирующая электроника нижнего уровня, то есть электроника детекторов (front-end), и регистрирующая электроника верхнего уровня (см. рис. 1).

Регистрирующая электроника нижнего уровня располагается в непосредственной близости от детекторов адронного калориметра. Она обеспечивает считывание аналоговых сигналов с фотодатчиков, их преобразование в цифровой код с темпом пересечения встречных пучков частиц (40 МГц) и последующую передачу оцифрованных данных по линиям оптической связи в подземное служебное помещение к приемным элементам регистрирующей электроники верхнего уровня.

Аппаратура РЭ адронного калориметра обеспечивает считывание по 13752 каналам регистрации. В таблице 1 приведено распределение каналов регистрации по детектирующим подсистемам адронного калориметра.

Таблица 1. Распределение каналов регистрации по детектирующим подсистемам адронного калориметра.

Наименование детектирующей подсистемыКоличество каналов Количество каркасов считывания
(readout box)
Количество 6-канальных карт регистрации в каркасе считывания Количество каналов PIN диодов
в каркасе считывания
Цилиндрические калориметры,
HB+, HB-
504036
по 18 на каждый
232
Внешний калориметр,
HO
2496 60
по 12 на оболочку
6 в оболочках 2+,1+.1-,2-
9 в оболочке 0
2
Торцевые калориметры,
HE+, HE-
3744 36
по 18 на каждый
17 2
Передние калориметры24124
по 2 на каждый
567 каналов36


2. Состав регистрирующей электроники нижнего уровня торцевого калориметра.

Модули регистрирующей электроники нижнего уровня торцевого калориметра располагаются в специализированном каркасе (readout box), который монтируется на самом калориметре. Общий вид каркаса показан на рис. 2.

В каркасе считывания смонтирована коммутационная плата с разъемами (тип DIN 41612), которая обеспечивает, во-первых, подвод шин питания ко всем электронным модулям, во-вторых, распределение тактового сигнала (40 МГц) и, в-третьих, разводку специализированной последовательной коммуникационной линии (RBXbus), а также передачу информации из температурных датчиков. На каждом из HE калориметров планируется разместить 18 каркасов считывания. Таким образом, один каркас обслуживает 20 градус сегмент одного HE калориметра.

В каждом каркасе считывания размещаются:

Каждый модуль считывания содержит фотодатчик с соответствующим интерфейсом, устройство подвода оптических волокон, по которым поступают сигналы детекторов, и набор шестиканальных карт считывания, (см. рис. 3).


Рис. 2. Общий вид специализированного каркаса для размещения модулей
регистрирующей электроники нижнего уровня (поперечный разрез)



Рис. 3. Схема подвода световых сигналов калориметра к фотодатчику (HPD)
и передачи электрических сигналов от HPD к картам считывания.

3. Коммутационная плата.

Типы каркасов считывания для каждого из трех видов адронного калориметра (HB, ОН и HO) имеют различную механическую конструкцию, так как на каждом из видов калориметра под их размещение отводится различное пространство. Таким образом, и коммутационные платы этих типов каркасов также вынуждены иметь свою уникальную форму, несмотря на то, что выполняют одни и те же функции.


Распределение низковольтного напряжения.
На плате используются три номинала такого напряжения.
  • - V1 (присоединяется при помощи трех универсальных разъемов (см. рис. 4.) к источнику питания V1).
  • - V2 (присоединяется при помощи двух универсальных разъемов к источнику питания V2).
  • - V3 (присоединяется при помощи одного универсального разъема к источнику питания V3).
  • - GND (присоединяется при помощи шести универсальных разъемов к GND)

Использование нескольких соединителей для напряжения одного номинала упорядочивает распределение мощности.


Рис. 4. Универсальные разъемы для подключения низковольтного напряжения.

Распределение сигнала основной тактовой частоты.

Сигнал основной тактовой частоты поступает в виде дифференциального LVDS сигнала из модуля управления (CCM). К индивидуальной линии этого сигнала разрешается подключать не более трех нагрузок. К отдельным группам разъемов коммутационной платы подводятся индивидуальные линии тактовой частоты.

Интерфейс канала последовательной связи (RBXbus).

Канал последовательной связи использует две линии: синхронизации и данных. Кроме того, имеются две линии, позволяющие адресоваться к определенному разъему на плате, определяя его географическое положение. Для этой цели используются два разряда из семи, предназначенных для адресации на RBXbus. Остальные разряды кода адреса будут аппаратным образом разведены на платах считывания.

Сигнал нулевого маркера пучка (Beam Zero Marker).

Сигнал нулевого маркера поступает в виде дифференциального LVDS сигнала из модуля управления. Для передачи сигнала используются две линии, первая передает сигнал к разъемам справа от модуля управления, а вторая - к разъемам слева. Максимальное число нагрузок на линии не должно быть больше 19.

Сигнал сброса (Reset).

Поступает в виде дифференциального LVDS сигнала из модуля управления.
Максимальное число нагрузок на линии не должно быть больше 28.

Сигнал измерения температуры (TEMP).

Одна из плат считывания в каждой группе, состоящей из двух или трех модулей, выдает информационный сигнал в виде величины напряжения/тока, по которому будет определяться температура в этой области каркаса считывания.

Линии общего назначения (General Bussed Lines).

Несколько линий разведены по всем разъемам платы. Они предназначены для более позднего использования. Они обозначены следующим образом.

D0_CALIB
RESERVED
RSVD (1)
RSVD (2)

Коммутационная плата изготавливается в виде многослойной печатной платы. Ее состав по слоям показан на рис. 5.


Рис. 5. Схематичное изображение коммутационной платы по слоям.

4. Модуль считывания.

Каркасы считывания цилиндрического и торцевого калориметров отличаются друг от друга по своей конструкции, несмотря на то, что предназначены для выполнения одних и тех же функций. Соответственно, модули считывания (RM) конструктивно отличаются друг от друга.

В настоящее время для HB калориметра уже разработана вся необходимая конструкторская документация каркаса считывания и созданы прототипы, как самого каркаса считывания, так и модулей, входящих в его состав. Что касается HE калориметра, то ведутся работы по созданию конструкторской документации каркаса считывания, а также по проработке конструктивных особенностей отдельных модулей, в том числе и модулей RM-19 и RM-73. Устройство ODU, обеспечивающее подвод оптических волокон к фотодатчику, находится в стадии моделирования [1 ]. Сроки выполнения отдельных работ приведены в таблице 2 [ 2 ].

По графику, приведенному в докладе [ 3], предполагается завершение работ по производству каркаса считывания для HE в октябре 2003 года.

Таблица 2. План-график работ по разработке и производству каркасов считывания.

Task Name

Start


2001

2002

2003

Qtr 4

Qtr 1

Qtr 2

Qtr 3

Qtr 4

Qtr 1

Qtr 2

Qtr 3

Qtr 4

Qtr 1

HE RBX Shell

Fri 3/30/01


3/30






Design HE RBX Shell (ND/FNAL)

Fri 3/30/01


3/30









ND Build 2 Prototypes (ND)

Mon 4/2/01



4/2








Finalize RBX Drawings (FNAL)

Mon 5/21/01



5/21








Drawings evaluated (Miss)

Fri 6/8/01



6/8








Build 1st RBX from Drawings (Miss)

Fri 6/29/01



6/29








Industialize 37 RBX Fab (Miss)

Fri 7/27/01




7/27







Begin Parts Production (Miss)

Fri 8/24/01




8/24







Trial Run - check of 1st Prod RBX (Miss)

Fri 9/14/01




9/14







End Parts Production (Miss)

Fri 12/14/01





12/14






QIE Card Backplanes

Fri 12/14/01





12/14






Assemble 36 HE RBX (FNAL)

Mon 4/1/02







4/1




HE RM-19 for QIE - PRODUCTION

Thu 2/1/01




Finish Design (ND)

Mon 4/2/01



4/2

Issues to be resolved - Optical connector choice

Transfer Drawings to FNAL (ND)

Mon 4/2/01



4/2








Finalize RM-19 Drawings

Tue 5/1/01



5/1








Manufacture 144 RM-19 Parts (Miss)

Fri 12/14/01





12/14






Manufacture 144 ODU Plug-ins (ND)

Fri 12/14/01





12/14






Manufacture 144 HPD Units (Minn)

Thu 2/1/01


2/1









Assemble 144 Modules (FNAL)

Mon 3/3/03










3/3

HE RM-73 for QIE - PRODUCTION

Thu 2/1/01




Finish Design (FNAL/ND)

Mon 4/16/01



4/16

Issues to be resolved - Optical connector choice

Transfer Drawings to FNAL (ND)

Mon 4/16/01



4/16








Finalize RM-73 Drawings

Mon 5/14/01



5/14








Manufacture 2 RM-73 ODUs (ND)

Mon 7/2/01




7/2







Manufacture 2 RM-73 HPDs Minn)

Thu 2/1/01











Manufacture 36 RM-73 Parts (Miss)

Fri 12/14/01





12/14






Manufacture 36 ODU Plug-ins (ND)

Fri 12/14/01





12/14






Manufacture 36 HPD Units (Minn)

Thu 2/1/01


2/1









Assemble 36 Modules (FNAL)

Mon 3/3/03










3/3

Ответственность:

FNAL - Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois;

ND - University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana;

Minn - University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota;

Miss - University of Mississippi, Oxford, Mississippi


5. Фотодатчик.

В качестве фотодатчика планируется использовать гибридный многоканальный фотодиод (HPD - Hybrid Photo Diode). На рис. 6 приведено схематичное изображение такого фотодатчика [ 4 HPD состоит из PIN диода, интегрированного в вакуумную трубку. Входное окно изготовлено из оптических волокон. За входным окном расположен стандартный фотокатод, преобразующий слабый световой сигнал в фотоэлектроны, которые ускоряются в электрическом поле и бомбардируют многоэлементный фотодиод. С выходов фотодиода снимаются измеряемые последующей электроникой аналоговые сигналы. В калориметре используются две разновидности фотодатчика, состоящие, соответственно, из 19 и 73 элементов (см. рис. 7). Производится фотодатчик фирмой DEP, Holland [ 5 ]. Всего в адронном калориметре необходимо использовать около 600 фотодатчиков.

Рис.6. Схематическое изображение гибридного многоканального
фотодиода, используемого в качестве датчика фотонов.

Рис.7. Расположение 19 и 73 элементов в соответствующих многоканальных фотодиодах.

6. Плата считывания.

Основным элементом, осуществляющим считывание данных, является шестиканальная плата считывания (см. рис. 1). В каждом каркасе считывания HE калориметра устанавливается 17 таких плат [ 6]. Они сгруппированы по три в каждом из четырех модулей считывания RM-19 и пять в одном модуле RM-73. Каждая плата считывания связана с коммутационной панелью при помощи 48-контактного разъема, общий вид которого показан на рис. 8. В таблице 3 приведены наименования контактов разъема связи платы считывания.

Рис.8. Вид разъема платы считывания с коммутационной панелью.

Таблица 3. Наименование контактов разъема платы считывания.

Номер контакта

Ряд A

Ряд B

Ряд C

1

GND

GND

GND

2

V1

V1

V1

3

GND

GND

GND

4

V2

V2

V2

5

GND

GND

GND

6

V3

V3

V3

7

GND

GND

GND

8

MCLK+

D0_CALIB

RESERVED

9

MCLK-

GND

GND

10

GND

GND

TEMP

11

GEO_ADDR(0)

GND

GND

12

GEO_ADDR(1)

GND

RSVD(1)

13

RESET+

GND

RSVD(2)

14

RESET-

GND

SERCLK+

15

BZERO+

GND

SERCLK-

16

BZERO-

GND

SER_DAT

MCLK - differential Master Clock Signal
BZERO - differential Beam Zero Marker
RESET - differential Reset
SERCLK - differential Serial Bus Clock
D0_CALIB - calibration signal (used only on D0 cards)
RESERVED - reserved signal
TEMP - analog line carrying temperature info
RSVD(2:1) - reserved lines
SER_DAT - serial bus data
GEO_ADDR(1:0) - serial bus address bits; geographically encoded

На рис. 9 показаны размеры платы считывания. На рис. 10 показано расположение основных элементов, а на рис. 11 высота компонентов на плате считывания.

Рис.9. Размеры платы считывания.

Рис.10. Расположение элементов на плате считывания

Рис.11. Расположение компонентов платы считывания по высоте.

Каждому каналу считывания на плате соответствует специализированная микросхема QIE. Работой двух микросхем QIE управляет микросхема Control channel ASIC (CCA), с выходом которой связан преобразователь данных из параллельного вида в последовательный код (см. рис. 12). Далее данные с тактовой частотой 800 миллионов разрядов/с передаются в оптическую линию.

Рис.12. Схема связей двух каналов считывания с управляющей микросхемой
и передатчиком сигналов в оптическую линию на плате считывания.

6.1. Описание интегральной схемы QIE.

QIE является специализированной большой интегральной схемой (ASIC), предназначенной для измерения заряда сигнала, поступающего с одного из выходов фотодатчика. Название QIE - это акроним, который составлен из символов, указывающих на выполнение схемой основных функций, а именно, регистрация заряда (Q), его интегрирование (I) и кодирование (E). Большой динамический диапазон измерения входных сигналов достигается за счет его разбиения на нескольких поддиапазонов. Входной сигнал поступает одновременно на интегрирующие цепочки всех поддиапазонов. Затем с помощью компараторов выбирается тот минимальный поддиапазон, в котором не произошло насыщение интегрирующей емкости. Величина напряжения, соответствующая проинтегрированному заряду, поступает на вход встроенного быстродействующего пятиразрядного аналого-цифрового преобразователя (FADC). В результате на выходе QIE формируется код измеренного сигнала в виде некого нелинейного представления, в котором пять разрядов определяют мантиссу, а два дополнительных разряда указывают на диапазон измерения.

QIE выполняет четыре типа операций, на которые отводятся равные интервалы времени (25 нс): интегрирование, установка или стабилизация проинтегрированного заряда, считывание и очистка. Все операции, с одной стороны, разделены во времени, а, с другой стороны, выполняются в конвейерном режиме. Работу в конвейерном режиме обеспечивают четыре одинаковых набора интегрирующих емкостей, что и определяет длину конвейера, равную четырем. Частота тактового сигнала, поступающего на QIE, равна частоте столкновений встречных пучков частиц в ускорителе.

Каждый из наборов емкостей интегрирует входной ток в течение одного интервала времени, равному времени пересечения пучков. Таким образом, в любой выбранный момент времени один набор емкостей собирает заряд, во втором происходит стабилизация собранного заряда, с третьего заряд считывается, а четвертый очищается или подготавливается к сбору следующего заряда. Величина напряжения на емкости, выбранной компараторами, преобразуется в цифровой пятиразрядный код с помощью встроенного FADC. Дополнительные два разряда указывают на диапазон измерения, а еще два разряда определяют номер набора интегрирующих емкостей, с которых и произошло преобразование заряда в цифровой код.

Конструирование схемы QIE предполагает достижение следующих технических параметров:

В таблице 4 приведены значения кодов FADC для каждого из четырех поддиапазонов измерения входного заряда.

Таблица 4.

Range (Exponent)

Input Charge

FADC Codes

Gain (q/Lsb)

Normal Mode

0

-1 fC --- 14 fC

0---14

1 fC/bin

0

14 fC --- 28 fC

15---21

2 fC/bin

0

28 fC --- 40 fC

22---25

3 fC/bin

0

40 fC --- 52 fC

26---28

4 fC/bin

0

52 fC --- 67 fC

29---31

5 fC/bin

1

57 fC --- 132 fC

0---14

5 fC/bin

1

132 fC --- 202 fC

15---21

10 fC/bin

1

202 fC --- 262 fC

22---25

15 fC/bin

1

262 fC --- 322 fC

26---28

20 fC/bin

1

322 fC --- 397 fC

29---31

25 fC/bin

2

347 fC --- 722 fC

0---14

25 fC/bin

2

722 fC --- 1072 fC

15---21

50 fC/bin

2

1072 fC --- 1372 fC

22---25

75 fC/bin

2

1372 fC --- 1672 fC

26---28

100 fC/bin

2

1672 fC --- 2047 fC

29---31

125 fC/bin

3

1797 fC --- 3672 fC

0---14

125 fC/bin

3

3672 fC --- 5422 fC

15---21

250 fC/bin

3

5422 fC --- 6922 fC

22---25

375 fC/bin

3

6922 fC --- 8422 fC

26---28

500 fC/bin

3

8422 fC --- 10297 fC

29---31

625 fC/bin

Calibration Mode

Forced 0

-2.333 fC ---- 10 fC

0---31

1/3 fC/Bin

Следует заметить, что в обычном режиме работы FADC имеет кусочно-линейную характеристику преобразования сигнала в код. В режиме калибровки устанавливается поддиапазон измерения 0, в котором характеристика преобразования линейна по всему диапазону.

6.2. Описание интегральной схемы CCA (Channel Control ASIC).

CCA также является специализированной большой интегральной схемой, предназначенной для выполнения следующих функций:

6.3. Преобразователь в последовательный код.

Что касается преобразователя параллельных данных, полученных с выхода CCA микросхемы, в серию последовательных сигналов, то о его конструкции на совещании были даны наиболее общие соображения. Сама передача данных будет осуществляться синхронным образом. Предполагается передача данных в двух скоростных режимах: быстром - 1,6 Гбит/с (для кодирования 32 разрядного слова данных и передачи его за один период частоты 40 МГц) и медленном - 0,8 Гбит/с (для кодирования 16 разрядного слова данных и передачи его за один период частоты 40 МГц). Предполагается использование двух систем кодирования параллельного в последовательный код: G-Link, Fiber channel (8B/10B). В качестве интерфейсов управления и считывания статусной информации использование стандартов I2C и JTAG. На рис. 13 показана обобщенная блок-схема этого устройства.

Рис.13. Обобщенная блок-схема преобразователя
параллельных данных в последовательный код.

В качестве передатчика последовательных данных в оптическую линию предполагается использовать новый тип полупроводникового лазера (VCSEL or Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode). На рис. 14 показан внешний вид этого прибора и его геометрические размеры.

Рис.14. Полупроводниковый лазер HFE4086-001.

Полупроводниковый лазер HFE4086-001 является 850 nm VCSEL миниатюрным устройством, которое предназначено для сверхскоростных передач данных. Это изделие сочетает в себе большинство полезных особенностей световых и лазерных диодов. Устройство имеет плоское окно, которое позволяет использовать его в разнообразных сочетаниях со световыми волокнами. Лазер позволяет передавать данные со скоростями выше 1 Гбита/с. На рис. 15 показано предполагаемое крепление лазера к печатной плате.

Рис.15.

6.4. Планы-графики работ по производству элементов платы считывания.

Ниже приведены таблицы 5, 6 и 7, в которых даны планы-графики работ, выполняемых в лаборатории им. Ферми, по производству основных элементов плат считывания.


Таблица 5. План-график работ по производству микросхемы QIE.


Таблица 6. План-график работ по производству микросхемы CCA.


Таблица 7. План-график работ по производству микросхемы остальных элементов платы считывания.


1. R. Ruchti. HCAL RBX for HB, HE, and HO Status and Planning, RBX PRR March 2001, CERN, http://physics.bu.edu/cms/hcal/RBX_PRR/index.htm.

2. R. Ruchti. Organization and Schedule, RBX PRR March 2001, CERN, http://physics.bu.edu/cms/hcal/RBX_PRR/index.htm.

3 D. Green. Readout Box (RBX) PRR, RBX PRR March 2001, CERN, http://physics.bu.edu/cms/hcal/RBX_PRR/index.htm .

4. Jim Freeman. Overview of HB/HE/HO Readout Chain & Calibration, RBX PRR March 2001, CERN, http://physics.bu.edu/cms/hcal/RBX_PRR/index.htm .

5. http://www.dep.nl/prodline/hpmt.htm

6. John E. Elias. Front End Electronics Report, CMS week, sept. 2000, CERN.


E-Mail: smirnov@sunhe.jinr.ru