PSEC6: an 8-Channel 40 GSa/s Waveform Sampling ASIC in TSMC 65nm with 10.24 GHz PLL

在高能物理学领域，科学家们通过碰撞粒子来理解宇宙的基本组成部分，而时间是其中最关键的标尺。当粒子发生碰撞时，它们会产生转瞬即逝的光和能量闪烁，并在极短的时间内消失。为了重建发生的过程，研究人员必须极其精确地测量这些闪烁发生的准确时刻。如果时间偏差哪怕只有微小的部分，事件的图像就会变得模糊，科学家可能会错过关于粒子如何相互作用或其来源地的关键细节。这种对极端时间准确性的需求，驱动了专门电子设备的发展，这些设备能够以远超眨眼瞬间的速度捕捉信号。目标是创建一个能够清晰记录这些快速事件的系统，既不丢失数据也不引入误差，从而让物理学家能够以比以往更清晰的焦点观察宇宙。

一个研究小组开发了一种新型电子芯片，旨在满足这些苛刻的要求，推向捕捉快速移动信号能力的极限。这款被称为 PSEC6 的芯片充当了电信号的高速相机，能够以每秒 400 亿次的速率对电压变化进行快照。为了直观理解这个速度，如果该芯片每秒拍摄一次快照，它需要超过一千年的时间才能达到捕捉一秒钟内所采集的样本数量。该设备是使用标准的计算机芯片制造工艺制造的，但它实现了在这一特定技术领域此前难以达到的性能水平。研究人员成功设计并模拟了芯片的行为，证实它可以处理现代粒子物理实验所需的极端速度，同时保持精确测量所需的稳定性。

构建此类设备的核心挑战在于平衡速度与保留数据足够长时间以供后续读取的能力。该芯片包含八个独立的通道，每个通道都作为一个独立的记录站。在每个通道内部，芯片使用了一种称为开关电容阵列的方法，其工作原理类似于一系列微小的水桶，捕捉并接住代表电信号的一滴水。这里的创新之处在于使用了两种不同类型的这种记录库。一组记录库在极短的时间内进行极速捕捉，而另一组则在较长时间内进行较慢的记录。这种双重方法使芯片既能捕捉粒子碰撞产生的尖锐、快速的细节，又能保留长期的背景噪声记录，这有助于科学家校准他们的仪器并将真实信号与静态噪声区分开来。快速记录库可以捕捉持续仅 1.6 纳秒（十亿分之一秒）的时间窗口，而慢速记录库可以记录超过 200 纳秒（两百亿分之一秒）的连续流。

为了驱动这种快速采样，该芯片依赖于一个高度精确的内部时钟，即被称为锁相环（phase-locked loop）的组件。这个时钟产生一个频率为 10.24 GHz（每秒 102.4 亿个周期）的信号，它是跳动的心跳，指挥着采样开关何时开启和关闭。在标准的计算机芯片中创建这样一个快速且稳定的时钟是非常困难的，因为高速度往往会导致抖动（jitter），即时间上的微小随机变化，从而使数据变得模糊。团队设计了一个定制的时钟系统，最大限度地减少了这些变化，预测其时间稳定性极高，误差以飞秒（femtosecond）为单位衡量——这是一个微小到难以想象的时间单位。模拟表明，该时钟系统功耗极低，使其足以高效地用于大型探测器阵列，而不会消耗过多的能量。

电信号通过芯片的路径也经过了精心的工程设计，以保持数据的形状。当信号进入芯片时，它会通过缓冲器进行放大而不扭曲其形状，确保捕捉到信号快速上升沿的准确性。设计团队选择了特定类型的晶体管（控制电流流动的微型开关），以处理快速切换所需的高电压，同时保持宽带宽。该带宽决定了能够捕捉多少信号频谱，预计将达到 4 GHz。这意味着芯片可以忠实地还原变化极快的信号，这是解析粒子相互作用精细细节的必要条件。芯片的输出保持为模拟形式，即一种连续的电波，随后被发送到外部设备进行数字化转换，以便进行计算机分析。

功耗是这些实验中的一个主要问题，因为大型探测器可能包含数千个这样的芯片。模拟表明，PSEC6 芯片上的每个通道在采样时的功耗约为 20 毫瓦，对于如此高性能而言，这是一个相对较低的数值。内部时钟系统增加了 15.7 毫瓦。整个芯片占据的面积非常小，大约仅为 2.7 平方毫米，却在单片硅片上集成了复杂的数字控制、模拟信号路径和高速时钟。设计还包括保护脆弱内部电路免受电涌影响以及管理运行期间产生热量的功能。

研究人员已经完成了项目的设计和模拟阶段，并将规格说明发送给制造商进行物理芯片的生产。模拟预测芯片将达到预期的计时分辨率和带宽，但最终的证明只有在物理器件在实验室中进行测试时才会到来。团队目前正在准备用于测试芯片到达后的设备和方法。如果物理结果与模拟一致，这款新芯片将为未来的实验提供强大的工具，使科学家能够以此前无法企及的精度测量时间。这项工作代表了科学电子工程领域的重大进步，证明了利用标准制造技术构建高度专业化、超快速仪器的可行性。