用于束流损失监控的200 dB动态范围辐射硬化Delta调谐电流数码化器

本文描述了一种制造于标准130 nm CMOS技术上的辐射硬化电流模式Delta调谐ADC,经认证可耐受最高100 Mrad的总辐射剂量。采用100 s积分窗口所实现的 operational signal range 超过200 dB。该转换器专为高能物理中的束流损失监控应用设计,需处理输入电流跨越九个数量级的范围,从1 mA降低至1 pA,同时提供快速10 us的响应时间以实现机器防护。为满足这些相互冲突的要求,该架构利用Delta调谏转换所固有的分辨率与获取时间之间的内在权衡:采用一阶架构、20 MHz采样率,在10 us的关键窗口内实现11位有效分辨率,用于处理约1 mA的关键电流。超过10 s的积分时间可实现对亚皮安培电流的分辨率,以实现精确的束流对准和背景监控。该芯片集成两个独立通道,耗电25 mW,采用1.2 V供电,并采用triple-redundant数字逻辑、定制ESD保护以及关键模拟晶体管的手动封装布局等辐射硬化技术。辐射照射后测量至100 Mrad显示性能未出现显著退化,且在1 mA至5 uA范围内的未校准积分非线性误差保持在[+4, -5] LSBs以内。该转换器的灵活性和辐射容忍性使其不仅适用于HL-LHC束流损失监控升级,也适用于其他恶努环境下的精密电流测量应用。