高亮度 LHC 上 CMS 内层的模拟前端设计比较评估

由硅像素模块构成的 CMS 内层将在高亮度 LHC 时期开始前完全更换。新内层系统的关键组件之一是由 RD53 合作组正在开发的读出芯片，特别是其模拟前端，它从传感器接收信号并将其数字化。三种不同的模拟前端（同步式、线性、差分）在 RD53A 演示芯片中设计并实施。开展了一项专门的评估程序，以选择最合适的设计来构建能够承受高粒子率、具有高效率和低虚假像素击中比例的耐辐射像素探测器。测试结果表明，三种模拟前端均有优势但也存在局限。差分前端表现出极低的噪声，但辐照后阈值调谐变得棘手。此外，前置放大器反馈环路中的饱和影响了信号返回基线，从而增加了死时间。同步前端显示出非常好的时序性能，但噪声也更高。对于线性前端，所有参数均在规格范围内，尽管该设计具有最大的时间游走。这一局限在改进设计中得到解决并缓解。在 CMS 内层运行需求背景下对三种前端优劣的分析，导致选择改进设计的线性前端集成到最终 CMS 读出芯片中。