MIMOSA 22 laboratory test results Marie GELIN on

MIMOSA 22 : laboratory test results Marie GELIN on behalf of IRFU – Saclay and IPHC - Strasbourg OUTLINE Mimosa 22 description Test bench Laboratory test results Summary 21 th may 2008 CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) 1

MIMOSA 22 : description Main parameters & Functionalities : – – – – AMS-OPTO 0. 35µm Pixel Size 18. 4 x 18. 4 µm² 136 x 576 pixels 8 Analog test Outputs (4608 pixels) 128 end-column discriminators (73728 pixels) Slow Control Interface : JTAG Internal Bias (DACs) Matrix : Sub-arrays with different diode surfaces M 22 : Layout Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 2

Synoptic of MIMOSA 22 test bench Four boards : • Proximity board • M 22 bounded on it • 1 st level of buffers & amplifiers • Digital auxiliary board • proximity board power supply • clock generator • digital signal buffer • 1 bit/pixels 50 MHz data stream • JTAG interface board • PC // port to LVDS translators • data rate ~ 100 kbits/s • Analog auxiliary boards • analog signal amplifiers • 2 boards required (4 ch/board) • 2 samples/ pixel 12. 5 MHz data stream DAQ developped by IPHC Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 3

DAQ system example local monitoring for the analogical part 576 lines + 2 IPHC Imager boards : • 8 analog outputs 2 boards • 16 digital outputs 1 board + digital extension On-line monitoring plots : • analog outputs • digital outputs Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 4

Goals of the laboratory tests Analog test outputs : • Temporal Noise (TN) and Fixed Pattern Noise (FPN) • Charge to Voltage Conversion Factor (CVF) • Charge Collection Efficiency (CCE) for 3 x 3 and 5 x 5 Clusters • Study of CCE vs chip temperature • Dispersion of the results obtained between chips Digital outputs : • Characterization of internal DACs • TN and FPN for discriminators only • TN and FPN for discriminators + pixels • Study of noisy pixels and uniformity of pixels response to hits Working conditions : Chip 5 ; FCLK-(chip)=100 MHz Tinteg=92. 16µs ; Ipix_sf = 50μA ; Tchip≈15°C Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 5

M 22 : Results on analog test outputs Noise measurements 6. 4 e- 7. 0 e- 11. 2 e- 11. 8 e- Temporal Noise distribution [e-] Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 6

M 22 : Results on analog test outputs Noise measurements Input referred Temporal Noise between 10. 7 and 13. 5 eat Vdd_diode =0. 85 V The in-pixel amplifiers of S 1 to S 9, S 11, S 14 don’t use vdd_diode Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 7

M 22 : Results on analog test outputs 55 Fe Source measurement : calibration and cluster peaks S 7 S 12 calibration peak S 7 Date de présentation CEA DSM Irfu cluster peak S 12 - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) cluster peak GELIN Marie 8

M 22 : Results on analog test outputs Working conditions : Chip 5 ; Ipix_sf = 50μA ; Tchip≈15°C ; Vdd_diode = 0. 85 V SB : self-bias – FR : feedback reset – HG : high gain S 1 to S 5, S 11, S 14 (active feedback reset) do not work well for the moment, due to a bad polarization of the in-pixel amplifiers. Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 9

M 22 : Performances vs temperature Chip 1 ; Vdd_diode = 0. 915 V; Ipix_sf=70µA IPHC Results, M. Winter presentation at ILC VD Workshop in Como, april 2008 • TN slightly increases with temperature for reset diode • CCE is not affected Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 10

M 22 : dispersion between chips Working conditions : Chip 5 ; Ipix_sf = 50μA ; Tchip≈15°C ; Vdd_diode = 0. 915 V Similar results for different chips uncertainty : Noise ± 0. 3 e- - CCE : ± 0. 5% Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 11

M 22 : discriminators characterization How to characterize discriminators without pixels ? Discriminators threshold Threshold = VRef 1 – VRef 2 = base line : 0. . 2500 m. V – 10 m. V step VRef 1 = base line + threshold VRef 1 -VRef 2 : -30. . +34 m. V – 0. 25 m. V step Emulate pixels signals Read = VTest 1 & Calib = VTest 2 = base line : 0. . 2500 m. V – 10 m. V step VTest 1 = base line + signal VTest 1 -VTest 2 : -30. . +34 m. V – 0. 25 m. V step Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 12

M 22 : discriminators characterization Vtest 1=Vtest 2=Vcommon mode pixel Vref 2 =Vcommon mode pixel (Vref 1 -Vref 2) Systematic offset ~ -1 m. V Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 13

M 22 : discri + pixels characterization TN=0. 59 m. V, FPN=0. 25 m. V TN=10. 3 e-, FPN=4. 4 e. S 7 128 x 64 = 8192 pixels S 7 Threshold voltage [m. V] Systematic offset for chip 5 ~ 4 m. V TN=0. 62 m. V, FPN=0. 21 m. V TN=10. 9 e-, FPN=3. 7 e- 128 x 32 = 4096 pixels S 12 Threshold voltage [m. V] Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 14

M 22 : discri + pixels characterization • Pixel Noise ~ 0. 6 m. V • FPN ~ 0. 25 m. V Similar results than smaller prototype MIMOSA 16 ones • Rad. Tol pixels (S 6, S 10, S 13) Noise slightly higher than for standard pixels Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 15

Digital part : Noisy pixels study (preliminary) S 7 response for 8, 10 and 12 m. V threshold without and with 55 Fe source Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 16

Digital part : Noisy pixels study (preliminary) S 12 response for 8, 10 and 12 m. V threshold without and with 55 Fe source Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 17

Digital part : Pixels response uniformity to hits (preliminary) 10 m. V threshold with 55 Fe source Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 18

Summary Analog test outputs : • Input referred Temporal Noise between 10. 7 and 13. 5 e- for studied sub-arrays • CVF measured around 50µV/e • CCE measured around 75% (3 x 3 clusters) and 85% (5 x 5 clusters) • Parameters (Noise & CCE) of chip studied according to chip temperature • Radiation tolerance checked : noise of Radtol pixels increases but more slowly than for standard pixels with dose. Digital outputs : • TN and FPN measured for discriminators only : 0. 3 m. V and 0. 2 m. V respectively • TN and FPN measured for discriminators + pixels : 0. 6 m. V (~11 e-) and 0. 25 m. V (~4 e-) respectively TN due mainly by pixels and FPN by discriminators • Study of noisy pixels and uniformity of pixels response to hits : to be confirmed with higher statistics Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 19

Conclusions and perspectives Conclusions : • Discriminators and JTAG sequencer OK for the final chip • Pixel array operational at nominal frequency and room temperature • Several pixel architectures exhibit moderate noise and expected performances Choice will be done after the testbeam Next steps : • Complete lab tests • Check m. i. p detection performances (SPS-CERN in August) Date de présentation CEA DSM Irfu - Prénom Nom - [Titre de la présentation] ("pied de page" et "date" -> onglet menu Affichage/En-tête) GELIN Marie 20