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Radiation-tolerant all-digital clock generators for high energy physics

Strahlungstolerante digitale Taktgeneratorschaltungen für Anwendungen in der Hochenergiephysik

  • The main focus of the presented research is the development and experimental study of radiation-tolerant clock generation circuits intended for applications in high energy physics (HEP). Clock synthesis and the synchronization of systems on the scale of large experimental detectors is an important aspect of their successful implementation and a necessity for achieving their anticipated performance. Developments in this area to increase radiation tolerance and performance are motivated by emerging requirements for clock generation and distribution. The thesis reviews the requirements of existing and emerging systems with regards to radiation-tolerant clock generation. To characterize clock generation circuits and adequately assess their conformity with the identified requirements in radiation tests, a number of methods and instrumentation setups are developed and characterized. The presented approaches combine aspects of digital programmable logic, analog circuit design and and digital signal processing concepts. To address designThe main focus of the presented research is the development and experimental study of radiation-tolerant clock generation circuits intended for applications in high energy physics (HEP). Clock synthesis and the synchronization of systems on the scale of large experimental detectors is an important aspect of their successful implementation and a necessity for achieving their anticipated performance. Developments in this area to increase radiation tolerance and performance are motivated by emerging requirements for clock generation and distribution. The thesis reviews the requirements of existing and emerging systems with regards to radiation-tolerant clock generation. To characterize clock generation circuits and adequately assess their conformity with the identified requirements in radiation tests, a number of methods and instrumentation setups are developed and characterized. The presented approaches combine aspects of digital programmable logic, analog circuit design and and digital signal processing concepts. To address design challenges in deep submicron CMOS nodes, the design of radiation-tolerant all-digital PLL and CDR circuits is explored in this thesis. These circuits promise opportunities to improve the radiation tolerance of clock generators, and hence this thesis devises the design of a radiation-tolerant ADPLL/CDR circuit compatible with requirements of high energy physics (HEP) electronics. Using radiation testing, the sensitivity of the circuits is studied and mitigation strategies for identified limitations are discussed. Three such ADPLL/CDR circuits are developed and tested in the form of macro blocks targeting applications in frontend ASICs for high energy physics. The circuits demonstrate jitter performance, power efficiency and radiation tolerance comparable to or better than currently used conventional PLL circuits. As a final aspect, the improved testing instrumentation and methodology developed within this thesis is applied to uncover a previously unrecognized radiation sensitivity in a conventional, radiation-hardened clock generator circuit. An integrated planar on-chip inductor is experimentally identified as responsible for this sensitivity. Irradiation tests are performed to study and characterize the nature of this sensitivity. The results suggest that energy deposition, likely within dielectric materials surrounding the inductor wiring, alters the inductor's terminal impedance. This stimulates frequency errors with long recovery times in the oscillator. The manifestation of this effect in HEP radiation environments is studied using proton irradiation, where a mitigation strategy is experimentally validated. A reduction of the impact of this sensitivity is demonstrated. To help conclusively identifying the underlying mechanism responsible for the sensitivity within the inductor itself, further research opportunities are suggested.show moreshow less
  • Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und der experimentellen Untersuchung strahlungstoleranter und hochzuverlässiger Takterzeugungsschaltungen für Anwendungen in der Hochenergiephysik. Die Sychronisation von Komponenten und Systemen im Maßstab großer Detektorexperimente mithilfe solcher Schaltungen ist von zentraler Bedeutung für deren erfolgreiche Implementierung und das Erreichen der spezifizierten Leistungsparameter. Die Konzeption von aktuellen sowie zukünftigen Detektorgenerationen erfordern das Erreichen von zunehmend strikteren Anforderungen an Takterzeugung und -verteilung. Im ersten Teil der Arbeit werden drei komplementäre Methoden und Instrumentationskonzepte für Charakterisierungs- und Qualifikationsaufgaben solcher Schaltungen vorgestellt, um die Einhaltung der durch die Anwendung gegebenen Anforderungen in Strahlungstests zu uberprüfen. Die dazu verfolgten Ansätze kombinieren Aspekte aus den Bereichen flexibel programmierbarer Logikschaltungen, analoger Schaltungsentwicklung und digitalerDie vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und der experimentellen Untersuchung strahlungstoleranter und hochzuverlässiger Takterzeugungsschaltungen für Anwendungen in der Hochenergiephysik. Die Sychronisation von Komponenten und Systemen im Maßstab großer Detektorexperimente mithilfe solcher Schaltungen ist von zentraler Bedeutung für deren erfolgreiche Implementierung und das Erreichen der spezifizierten Leistungsparameter. Die Konzeption von aktuellen sowie zukünftigen Detektorgenerationen erfordern das Erreichen von zunehmend strikteren Anforderungen an Takterzeugung und -verteilung. Im ersten Teil der Arbeit werden drei komplementäre Methoden und Instrumentationskonzepte für Charakterisierungs- und Qualifikationsaufgaben solcher Schaltungen vorgestellt, um die Einhaltung der durch die Anwendung gegebenen Anforderungen in Strahlungstests zu uberprüfen. Die dazu verfolgten Ansätze kombinieren Aspekte aus den Bereichen flexibel programmierbarer Logikschaltungen, analoger Schaltungsentwicklung und digitaler Signalverarbeitung. Eine der größten Herausforderungen für analoge integrierte Schaltungen in hochintegrierten CMOS-Prozesstechnologien stellt deren aggressive Reduzierung der Versorgungsspannung dar. Als Ansatz zur Bewältigung dieser und weiterer Herausforderungen beschäftigt sich diese Arbeit als zweiten Schwerpunkt mit der Entwicklung von strahlungstoleranten, vollständig digital implementierten Phasenregelschleifen (engl. all-digital PLL) für Anwendungen in Beschleunigerexperimenten. Die digitale Umsetzung traditionell mit analogen Schaltungen implementierter Funktionalität ermöglicht das Verfolgen von neuen, vielversprechenden Ansätzen zur Strahlungshärtung von Takterzeugungsschaltungen. Als letzten Aspekt beschäftigt sich die Arbeit mit einer neuartigen Klasse von transienten Strahlungseffekten in Takterzeugungsschaltungen. Der erstmalige Nachweis sowie das Erkennen der praktischen Relevanz dieses Strahlungseffektes für Systeme mit hohen Genauigkeitsanforderungen wurde dabei erst durch die im ersten Teil der Arbeit durchgeführte Entwicklung verbesserter Messverfahren ermöglicht. On-Chip-Induktivitäten wurden hierbei als strahlungsempfindliche Schaltungskomponente innerhalb eines LC-Oszillators identifiziert. Mithilfe von Experimenten an Laser- und Schwerionenbeschleunigeranlagen wurden Untersuchungen zur Charakterisierung dieses Strahlungseffektes durchgeführt. Mithilfe dieser konnte gezeigt werden, dass die Deposition von Energie innerhalb der empfindlichen Komponente zu einer temporären Änderung ihrer Impedanz führt, was die Schwingfrequenz des untersuchten Oszillators messbar beeinflusst. Abschließend werden zu diesem Themenschwerpunkt weitere zu untersuchende Aspekte herausgearbeitet, mithile derer eine vollständige Erklärung des beobachteten Strahlungseffektes und der ihm zu Grunde liegenden Mechanismen im Bereich der Halbleiterphysik angestrebt wird.show moreshow less

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Metadaten
Author: Stefan BiereigelORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-60886
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6088
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Matthias Rudolph, Prof. Dr.-Ing. Dirk Killat
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/08/30
Release Date:2022/10/27
Tag:Datenrückgewinnung; Hochenergiephysik; Integrierte Schaltungstechnik; Phasenregelschleife; Zuverlässigkeit
All-digital; Clock-data recovery; High-energy physics; Integrated circuit; Phase-locked loop
GND Keyword:Hochenergiephysik; Integrierte Schaltung; Taktrückgewinnung; Phasenregelkreis; Zuverlässigkeit
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Elektronische Systeme und Sensorik
Other Notes:Binationale Promotion - Cotutelle de thèse (KU Leuven)
Licence (German):Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
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