4.3 L’électronique d’acquisition
4.3.4 La carte mère
Comme il a été évoqué au début de cette section, l’acquisition complète des données s’effectue au niveau des pots romains. Pour chaque détecteur, les objectifs à remplir sont donc de :
– collecter et mettre en série les données des 23 PMFs
– assurer la connexion longue distance avec le système central d’acquisition d’ATLAS – contrôler et vérifier le fonctionnement de la carte mère grâce au système développé
au CERN appelé ELMB [69] (Embedded Local Monitor Board) La figure 4.26 présente un schéma fonctionnel de la carte mère.
Les fonctionnalités de déclenchement sont intégrées sur un circuit imprimé dit
mezza-nine fixé sur la carte mètre. La figure 4.27 présente ses fonctionnalités. Le découpage des tâches entre la partie principale de la carte mère et la mezzanine est uniquement tech-nique : il a permis de lancer la production de la carte mère alors que les fonctionnalités du trigger étaient toujours en discussion.
FIGURE 4.26: Schéma de la carte mère. Les données brutes issues des PMFs sont transmises au FPGA ALFA-M. Le ALFA-M collecte et met en série les données correspondant au même événement et les transmet via le GOL au ROD dans USA15 situé dans la caverne d’ATLAS.
FIGURE 4.27: Schéma de la mezzanine. Quatre PMFs particulières assurent la lecture de la charge des trigger et le timing. Les sorties de déclenchement sont programmables et permettent de combiner les entrées de déclenchement issues des deux scintillateurs du détecteur principal ainsi que des deux scintillateurs des détecteurs de recouvrement. Deux générateurs d’impulsions alimentent les deux LED placées dans le pot en vue des tests de fonctionnalité.
Chapitre 5
Caractérisation et validation de
l’électronique front-end
Ce travail a été réalisé en collaboration avec principalement P. Barillon, S. Blin et B. Lavigne du service électronique du LAL.
Il y a eu plusieurs prototypes de la puce MAROC et de la PMF. Les spécificités de chacun seront présentées dans les parties qui suivent. Les différentes campagnes de tests en faisceau et de tests électroniques ont rythmé ces changements. Afin d’avoir une vision d’ensemble du projet nous allons donner la chronologie des événements :
1. Production de la première version de la puce MAROC (MAROC1) (Octobre 2005) : (a) testée au LAL avec carte de test dite socket
(b) testée au LAL avec carte de test dite Chip On Board (COB)
(c) associée au prototype de PMF conçue à Lund et au câble souple non blindé, le tout testé en faisceau au CERN (octobre 2006)
2. Production de la deuxième version de la puce MAROC (MAROC2) (Juillet 2006) : (a) testée au LAL avec carte de test dite socket
(b) testée au LAL avec carte de test dite COB
(c) encapsulée et soudée sur la carte de test, testé au LAL
(d) wire-bondée sur le prototype PMF relié par un câble kapton à une carte de test dédiée tous trois conçues au LAL (nov 2007) :
i. testée avec MAPMT au CERN ii. testée au LAL
(e) wire-bondée sur la version pré-série de la PMF reliée par un câble kapton à une carte de test dédiée (Janvier-Mai 2008) :
i. testée au LAL
ii. testée en faisceau au CERN sur le SPS (été 2008)
(f) wire-bondée sur la version série de la PMF reliée par un câble kapton(Mai-Décembre 2009) :
ii. testée en faisceau au CERN sur le SPS (octobre 2009) avec le prototype de la carte mère
Afin de vérifier les différentes fonctionnalités et performances de la puce MAROC et de la PMF, une large campagne de tests a été réalisée. Dans chacune des phases toutes les exigences définies dans la partie § 4.3.1 ont été vérifiées :
– linéarité du seuil de discrimination en fonction de la valeur de registre fixée – sensibilité à un signal d’amplitude équivalente à un tiers de photo-électron
– correction des non uniformités du MAPMT grâce aux gains variables de la puce MAROC2
– niveau de diaphonie inférieur au pourcent entre les canaux adjacents
Avant de détailler toutes ces mesures nous allons commencer par définir des notions nécessaires à l’interprétation de certaines mesures.
5.1 Résultats et notions importantes concernant la puce
MAROC et la PMF
5.1.1 La S-curve
La S-curve est le nom donné aux courbes qui représentent l’efficacité de déclenchement en fonction de la charge injectée1 ou de la valeur du seuil de discrimination. Elle tire son nom de sa forme caractéristique en S venant du fait que l’efficacité de déclenchement passe de 0 à 100 % lorsque la valeur critique de l’un des paramètres est atteinte. Les S-curves peuvent être obtenues de deux manières différentes :
– On fixe le seuil de déclenchement et on fait varier la charge injectée. Tant que le signal en entrée est trop faible, aucun signal ne passe le seuil de discrimination, l’efficacité de déclenchement est par conséquent à 0. Dès que les signaux ont une amplitude comparable à celle du niveau de discrimination, l’efficacité de déclenche-ment augdéclenche-mente plus ou moins rapidedéclenche-ment suivant le niveau de bruit, jusqu’à atteindre 100 % (voir figure 5.1(a))
– On fixe la charge injectée et on fait varier le seuil de déclenchement. Lorsque le seuil est en deçà de l’amplitude moyenne des signaux, l’efficacité est de 100 %. Dès que le seuil de discrimination est comparable à l’amplitude des signaux d’entrée, l’efficacité chute progressivement jusqu’à 0 % (voir figure 5.1(b))
De manière générale la S-curve est ajustée avec la fonction de Hilbert qui s’écrit comme suit :
Eff(x) = min + max− min
1 +1x50 % x
2pente (5.1)
Avec min le niveau minimum d’efficacité, max le niveau maximum, x50 % la valeur en abs-cisse pour laquelle l’efficacité est au niveau (max−min)/2 et enfin la pente qui caractérise la vitesse de transition d’un état où l’efficacité est minimale (resp. maximale) à un état
(a) Efficacité de déclenchement avec seuil fixé et
charge injectée variable. (b) Efficacité de déclenchement avec charge injec-tée fixée et seuil variable. FIGURE 5.1: Deux types de configurations d’obtention des S-curves. Les unités en abscisses sont arbitraires.
où elle est maximale (resp. minimale). Cette pente caractérise le niveau de bruit2. Dans la plupart des études le paramètre x50 % aussi appelé point à 50 % sera utilisé afin de comparer la réponse des différents canaux.