AC‑LGAD 전용 프론트‑엔드 전자회로의 초고속 시간 해상도 실증

초록

본 연구는 페르미랩 테스트 빔에서 AC‑LGAD 신호를 처리하는 16채널 프론트‑엔드 보드(FEE)의 전기적 특성을 정밀히 측정하였다. 가변 진폭 펄스를 이용해 이득, 잡음 RMS, SNR, 상승시간 및 지터를 평가했으며, 최적 조건에서 1σ 수준의 시간 해상도가 2 ps 이하임을 확인하였다.

상세 분석

논문은 AC‑LGAD의 고속 저전압 신호를 증폭·전송하기 위한 전용 FEE 보드의 설계와 실험적 검증을 상세히 다룬다. 각 채널은 Minicircuits Gali S66+를 이용한 2단 증폭기로, DC‑3 GHz 대역을 커버하고 50 Ω 정합을 유지한다. 25 Ω 입력 임피던스와 1 GHz 대역폭을 갖는 이 증폭기는 2 GHz에서 약 18 dB(≈66배)의 전압 이득을 제공한다. 입력 전하 1 fC당 5 mV의 출력 전압 변환 비율은 20 fC(≈MIP 전하) 입력 시 100 mV 출력으로, 이는 실험에 사용된 0.94 mV–5.19 mV 입력 펄스와 일치한다.

실험은 Keithley 전원으로 6.8 V, 0.537 A 공급하고, 온도는 21.7 °C로 고정하였다. 84.3 MHz 저지터 클럭 발생기와 NB6L295 기반 펄스 발생기를 이용해 1 ns 폭, 260 mV 피크의 펄스를 생성하고, 가변 감쇠기로 입력 진폭을 조절했다. 신호는 SMA‑50 Ω 매칭 커넥터와 100 nF 커플링 커패시터를 포함한 차지 인젝터를 통해 FEE에 인가되었다.

LeCroy WaveRunner 610Zi(1 GHz 대역, 20 GS/s)로 출력 파형을 획득했으며, 오실로스코프 자체의 375 ps 10‑90 % 상승시간이 측정 한계가 되었다. 이득은 입력‑출력 전압 비를 통해 직접 계산했으며, 56 dB 감쇠 시 75 dB(≈5 × 10³) 이득, 40 dB 감쇠 시 36 dB(≈4 × 10³) 정도로 확인되었다. 높은 입력 진폭에서는 증폭기의 압축 현상으로 이득이 약간 감소한다.

시간 해상도(지터)는 CMS‑MTD Timing DAQ 프레임워크로 50 % 상승 에지 기준에 대해 레퍼런스 클럭과 DUT 출력 간 차이를 측정해 σ_t를 구했다. 기본 시스템(클럭·펄스·오실로스코프) 지터는 4.13 ± 0.12 ps이며, 이는 전체 측정의 베이스라인이다. FEE 보드 자체의 지터는 SNR에 따라 감소했으며, SNR≈70 dB에서 2 ps 이하로 수렴한다. 이는 σ_t ≈ (Rise Time)/SNR + δ_t 모델에 부합한다. 잡음 RMS는 1.8–2.9 mV 수준으로 진폭이 증가해도 거의 변하지 않아, 해상도 향상의 주된 원인은 신호 진폭 증가에 따른 SNR 개선임을 확인했다.

결과적으로, 설계된 FEE는 0.94 mV–5.19 mV 입력 범위에서 4 kΩ 수준의 트랜스임피던스를 유지하고, 1 GHz 대역폭 한계 내에서 350 ps 정도의 상승시간을 보이며, 2 ps 이하의 시간 해상도를 달성한다. 이는 AC‑LGAD 기반 4D 트래킹 시스템에서 수십 피코초 수준의 타이밍 요구를 충족시키기에 충분한 성능이다. 다만, 오실로스코프 대역폭이 측정 한계를 설정하므로, 실제 센서‑FEE 결합 시에는 더 낮은 지터가 기대될 수 있다.