다중채널 X‑ray CCD 카메라용 아날로그 ASIC 개발 및 방사선 내성 평가

초록

본 논문은 차세대 X‑ray 천문 위성 ASTRO‑H의 CCD 카메라 프론트‑엔드 전자에 적용할 수 있는 4채널 아날로그 ASIC(MND02)을 설계·제작하고, 저전력·저노이즈 성능과 200 krad까지의 총이온화선량(TID) 및 단일 이벤트 래치업(SEL) 내성을 검증한 결과를 보고한다.

상세 분석

MND02 ASIC은 0.35 µm CMOS 공정으로 구현된 4개의 동일 채널을 갖는 다중채널 구조이며, 각 채널은 프리앰프, 5‑bit DAC, 두 개의 ΔΣ 모듈레이터(odd/even)로 구성된다. 프리앰프는 0.6~10배의 가변 이득을 9단계로 제공해 입력 전압 ±20 mV(≈720 mV 전압 범위) 내에서 CCD 전하량을 증폭한다. DAC는 오프셋 전압을 삽입해 동적 범위를 최적화하고, ΔΣ 모듈레이터는 과샘플링을 통해 양자화 노이즈를 고주파 영역으로 이동시켜 155‑bit 스트림을 생성한다. 이 스트림은 FPGA 내 디시메이션 필터에서 12‑bit 디지털 값으로 변환된다.

전기적 시험 결과, 픽셀 레이트 100 kHz 이하에서 입력 등가 노이즈가 30 µV 이하로 억제되었으며, 전력 소모는 전체 칩당 약 150 mW에 불과해 우주 환경에서의 열 관리가 용이하다. 비선형성(INL)은 0.2 % 수준으로, 기존 CCD 전자와 동등하거나 우수한 선형성을 보였다.

방사선 시험에서는 60 Co γ선과 150 MeV 양성자를 이용해 총 200 krad까지의 TID를 가했을 때, 전류 상승은 10 % 미만이며, 게인 감소는 30 krad에서 시작해 전체 200 krad에서도 10 % 이하에 머물렀다. 이는 주로 프리앰프 영역의 트랜지스터 파라미터 변동에 기인한 것으로, 모듈레이터 자체는 거의 영향을 받지 않았다. 또한, 400 MeV/amu Fe 이온(LET = 1.68 MeV·cm²/mg)으로 5.2×10⁸ ion/cm²까지 조사했을 때 SEL 현상이 전혀 관찰되지 않았으며, SEU는 일부 발생했지만 시스템 복구가 가능하도록 설계되었다. 따라서 SEL 임계값은 1.68 MeV·cm²/mg 이상으로, LEO 환경에서 실질적인 다운타임 위험이 거의 없음을 의미한다.

이러한 결과는 기존 MD01 ASIC 대비 TID 내성이 크게 향상된 점을 강조한다. 설계상의 약점으로는 특정 채널(채널 0)에서 반복적으로 약간의 게인 저하가 관찰된 점이며, 이는 레이아웃 최적화가 필요함을 시사한다. 전반적으로 MND02는 저전력·저노이즈·고선형·고방사선 내성을 동시에 만족하는 차세대 X‑ray CCD 프론트‑엔드 솔루션으로 평가된다.