CAPITOLATO TECNICO DESCRIZIONE GENERALE Le schede oggetto della gara saranno usate come frontend analogico delle camere a deriva dell'esperimento CMS. La funzione principale e` quella di fornire segnali di uscita in standard LVDS e di durata fissa di circa 100ns in corrispondenza ad impulsi negativi di corrente applicati ai rispettivi ingressi. Sono previste 2 versioni che differiscono per il numero di canali (16 e 20) e per le dimensioni (156x44mm**2 e 196x44mm**2) e che devono essere realizzate rispettivamente in 11500 e 400 esemplari. Nella fotografia sono mostrate le due viste del prototipo della scheda a 16 canali. Le funzioni fondamentali sono implementate in circuiti integrati full custom ognuno dei quali contiene 4 canali indipendenti in un package TQFP44. Ogni canale e` costituito da un amplificatore seguito da un discriminatore, da un monostabile e da uno stadio driver LVDS. Il singolo canale puo` essere "bloccato" applicando un livello TTL ad un apposito pin (funzione di mascheratura) dell'ASIC e per il controllo di questa funzione sulla scheda e` prevista un'interfaccia slave I2C. Questa interfaccia I2C e` utilizzata anche per controllare il "multiplexing" analogico delle tensioni di uscita di alcune sonde di temperatura, integrate nei chip custom, che dovranno poi essere misurate esternamente alla scheda. Per il monitoraggio del rivelatore e` previsto un altro tipo di mascheratura cosiddetta veloce, e che consiste di due soli segnali, comuni a tutti gli ASIC, che inibiscono ciascuno l'uscita di meta` canali della scheda in una mappatura predeterminata sullo stampato. DESCRIZIONE DELLE SCHEDE ******************************stampato******************************** Come gia` detto le schede sono di 2 tipi che differiscono fra loro per il numero di canali e le dimensioni mentre lo spessore (1.6mm) ed il numero di strati del PCB (6) sono gli stessi. Altre caratteristiche sono il minimo isolamento fra piste dello stesso strato che e` di 7 mils, la larghezza minima delle piste che e` 6 mils e la presenza di passanti (ne` sepolti ne` ciechi) con foro di diametro 0.3mm. Lo spessore dell'isolamento fra i vari strati dovra` essere di 0.3mm per tutti. I files necessari per la fabbricazione saranno forniti dall'INFN. ******************************connettori****************************** Nella scheda standard a 16 canali sono previste 2 strip di contatti maschi SMD a passo 2.54mm (8 canali per strip da 17 pin) per gli ingressi ed un connettore a 40 pin SMD passo 1.27mm per le 16 uscite differenziali, le 2 alimentazioni e 3 tensioni di controllo. Per le 2 alimentazioni piu` la massa e le tre tensioni di controllo e` prevista anche una strip di 6 contatti femmina T.H. a 90 gradi attraverso la quale si puo` alimentare la scheda durante il burn in. Un ulteriore connettore da 10 pin SMD a passo 1.27mm porta i collegamenti per l'interfaccia I2C, 2 segnali differenziali di abilitazione delle uscite LVDS e 4 tensioni (2 di temperatura e 2 di alimentazione) che devono essere misurate; questo connettore e` denominato slow control. Sono previste anche 2 serie di 5 contatti femmina a tulipano annegati nello stampato la cui funzione e` di portare i segnali di test pulse elettrico alla distribuzione interna alla scheda. La scheda a 20 canali in piu` porta i connettori per gli ingressi e le uscite dei 4 canali aggiuntivi e cioe` una strip di 9 contatti maschi SMD a passo 2.54mm e un connettore a 10 pin SMD passo 1.27mm. *****************************componenti********************************* La maggior parte dei componenti e` a montaggio di superficie con l'eccezione delle strip di contatti per il test pulse e alimentazione burn in e di 2 lamine di rame berillio dorate che devono essere posizionate in modo accurato. I componenti sono disposti su entrambe le facce. Ciascuna scheda contiene : a) 1 integrato in case SO40 PHILIPS PCF8577CT/F3 b) 4 integrati in case TQFP44 MAD ASIC (per 20 canali 5 CI TQFP44) c) 1 integrato " " SO8 BURR-BROWN OPA2234 d) 16 diodi in SOT143 PHILIPS BAS56 (per 20 canali 20 diodi SOT143) e) 16 resistenze MELF 0207 (per 20 canali 20 resistenze) f) 1 connettore 40 pin SMD passo 1.27x1.27 uscite SAMTEC FTS-120-01-L-DV (per 20 canali aggiungere 1 connettore 10 pin SAMTEC FTS-105-01-L-DV) g) 1 connettore 10 pin SMD passo 1.27x2.54 o 1.27x1.27 slow control h) 2 strip singola fila di 17 contatti maschi SMD ingressi Preci-Dip 350-10-117-00-106 (per 20 canali aggiungere 1 strip 9 contatti 350-10-109-00-106) i) 2 lamine fingerstock di dimensione 31.7x7.1 (per 20 canali aggiungere 1 lamina 19x7.1) j) 1 strip 6 contatti femmina single row 90 gradi passo 2.54 burn in k) 2 strip 5 contatti femmina test pulse Preci-Dip 714-93-105-31-012 o eq. I componenti ai punti b), c), d), e), g), h) e i) verranno forniti in conto lavorazione e sono testati all'origine, i rimanenti componenti (integrato PCF8577, connettore per segnali di uscita, test pulse e burn in) fanno parte della commessa. Ulteriori componenti passivi che fanno parte della commessa sono (per la scheda a 16 canali): 1) n.74 resistenze 0805 2) n.79 condensatori 0805 3) n.4 condensatori 1206 La scheda a 20 canali richiede ulteriori 6 resistenze 0805, 6 condensatori 0805 e 2 condensatori 1206. ****************************assemblaggio****************************** Non e` consentito l'uso di colla per il piazzamento dei componenti e per la saldatura dovra` essere impiegato stagno no clean; questi accorgimenti sono rivolti ad evitare per quanto possibile l'eventualita` che le schede possano emettere sostanze inquinanti all'interno del gas in cui dovranno operare quando installate nel rivelatore. Si richiama l'attenzione sulla precisione con cui devono essere posizionate le strip di contatti degli ingressi e le lamine fingerstock: le prime, dovendo innestarsi sui connettori di una scheda ausiliaria, potranno richiedere l'uso di una dima e/o la presaldatura di alcuni pin mentre le lamine dovranno essere posizionate e probabilmente saldate manualmente con una precisione di +- 0.5mm in senso verticale e di +- 1mm in senso orizzontale. Per le lamine inoltre, che hanno una larga superficie di saldatura, bisognera` evitare che rimangano residui di stagno e disossidante malamente fusi per cui la saldatura SMD non e` consigliata. Soluzioni alternative per questi punti potranno comunque essere proposte. La saldatura SMD per il resto dei componenti dovra` avvenire preferibilmente con il primo ciclo per la faccia che contiene le strip di ingresso e le resistenze MELF. BURN IN E TEST A fine montaggio e` richiesto un controllo visivo della scheda ed una prima verifica che gli assorbimenti dalle alimentazioni e le tensioni DC sui connettori siano un range prestabilito. Le fasi successive sono un ciclo di burn-in con caratteristiche da stabilirsi (orientativamente del tipo MIL 883 a 125 gradi e alimentazione nominale per una settimana) e poi un test elettrico funzionale di tipo go-nogo. L'attrezzatura di test (HW e SW) fa parte della commessa ed e` richiesta una lista delle caratteristiche misurate da allegare a ciascuna scheda che abbia superato il test. Le schede che non superano il test go-nogo saranno esaminate ed eventualmente riparate in collaborazione con l'INFN. ELENCO DEI SEGNALI I/O SU CIASCUNA SCHEDA 1) ingressi/uscite di controllo (su connettore slow control): a) tensioni (+5 & +2.5) di alimentazione tramite resistenze da 10K b) 2 temperature con sensibilita` 7.5mV/K ; una di queste e` connessa attraverso una resistenza per ottenere la temperatura media dei chip, l'altra e` abilitabile tramite I2C per ottenere la temperatura di ciascun chip. c) maschere veloci con 2 segnali di abilitazione differenziali ~LVDS d) 2 linee per interfaccia seriale I2C per il controllo delle maschere lente 2) segnali su connettore di uscita: a) 16(20) uscite differenziali LVDS b) 2 tensioni di alimentazione +5 & +2.5 c) tensione di bias ~1.5V d) tensione di threshold (tensione di bias + soglia effettiva * 3mV/fC) e) tensione W_ctrl (0-3.5V) 3) ingressi di test su strip test pulse: a) 2 linee di test pulse per ogni strip da generatore con tr=tf < 4ns e ampiezza regolabile. Sono state previste 2 strip per poter iniettare segnali da entrambi i lati della scheda. 4) ingressi della scheda (strip 17 e 9 contatti) a) questi pin sono connessi alternativamente a massa e agli ingressi degli ASICs e polarizzati approssimativamente a +0.75V; attraverso questi pin devono essere iniettati i segnali di corrente con cui si testa la funzionalita` dei singoli canali. **********Parametri da misurare per il test della scheda********** STATICI 1) assorbimenti sulle alimentazioni: +5V Icc= 35~60mA +2.5V Idd= 70~110mA (uscite caricate 100 ohm) 2) 16(20) livelli statici degli ingressi (range 0-2V) 3) 16(20) livelli di modo comune uscite (range 0-2V) 4) 4 tensioni presenti su connettore slow control (range 0-5V con risoluzione 2.5mV o migliore DINAMICI: 1) numero di conteggi su uscite LVDS (fmax 20 MHz) 2) temporizzazione delle uscite LVDS (tmin 5ns tmax 200ns) **********segnali necessari per il test della scheda************** STATICI Oltre alle alimentazioni (+5V +-5% e +2.5V +-5%): 1) tensioni Vbias e Vthr (range 0-4 V con risoluzione 1 mV o migliore) 2) tensione W_ctrl (range 0-3.5V con risoluzione 10mV o migliore) DINAMICI 1) generatore di impulsi di ingresso (almeno 2 linee indipendenti, una per i canali dispari e una per i pari). Questo impulsatore, costituito da un generatore di onde quadre con fronti di salita e discesa < 4ns e da un condensatore per ogni ingresso della scheda, deve poter generare segnali di circa 5fC (es. 5mV con 1pF) e segnali di circa 1pC (1V con 1pF). 2) generatore di impulsi di test pulse: 4 linee indipendenti provenienti da un impulsatore con tr=tf < 4ns e ampiezza circa 50mV 3) generazione di 2 livelli differenziali (+- 400mV centrati su 1.5V) per il controllo della mascheratura veloce 4) master I2C (SDA e SCL) ***************** FASI DEL TEST ***************** A) PROVE STATICHE 1) controllo assorbimento di corrente (sulle 2 alimentazioni) con risoluzione 0.1mA e F.S. 200mA. 2) controllo delle tensioni presenti sulle 16 (20) uscite (tensione di modo comune, richiede un sommatore a 2 resistenze di valore ~10K per ricavare la media dei 2 segnali differenziali e un condensatore per il filtraggio). Range 0-2V risoluzione 4mV o migliore 3) misura delle tensioni presenti sui 16 (20) ingressi. Richiede filtro RC con R > 400K (per minimizzare il rumore) e C~10nF. Range 0-2V con risoluzione 2mV o migliore ed alta impedenza d'ingresso. 4) controllo di 4 tensioni presenti sul connettore slow_control della scheda. Il segnale T_out richiede resistenza da 22K verso massa ed 1 interruttore (bit) in grado di portare la tensione di questo punto a 2.5 V inserendo una resistenza da 22K verso +5V. Richiede master I2C per selezione di una delle 4(5) sonde di temperatura che devono essere acquisite e 2 resistenze di terminazione per il monitor delle tensioni di alimentazione. B) PROVE DINAMICHE 1) verifica che le uscite non presentino variazioni di stato in assenza di stimoli sugli ingressi ad un valore predefinito della soglia. Richiede 16 (20) contatori ad almeno 16 bit ingresso HCT o TTL ed un convertitore LVDS => CMOS a 16 (20) canali. Tempo di misura almeno 10 secondi, tutti i canali contemporaneamente. 2) programmazione sequenziale dei bit di mascheratura sia lenta che veloce e verifica che le uscite non commutino (sempre in assenza di segnale). Richiede master I2C per le maschere lente e doppio driver differenziale per quelle veloci; 16 (20) contatori a 16 bit ingresso HCT o TTL ed un convertitore LVDS => CMOS a 16 (20) canali. Prova effettuata bit per bit, accensione e spegnimento. 3) applicazione di stimoli di piccola ampiezza agli ingressi e verifica che tutte le uscite commutino ad un valore predefinito della soglia. Richiede un generatore di impulsi per gli ingressi della scheda. 4) applicazione di stimoli di massima ampiezza agli ingressi e verifica che tutte le uscite commutino nei tempi e con la durata preassegnati ad un valore predefinito della soglia. Richiede il generatore del punto 3). Per la misura dei tempi e` richiesto un TDC (time to digital converter) con ingressi LVDS o TTL e sensibile ai fronti positivo e negativo oppure un banco di registri molto veloci comandato da un clock a ritardo programmabile a passi di 1-2ns per simulare una finestra temporale. 5) in presenza di stimoli di massima ampiezza sugli ingressi, programmazione sequenziale dei bit di mascheratura sia lenta che veloce e verifica che le uscite commutino secondo la mascheratura applicata. Richiede il generatore del punto 3) e master I2C e contatori come al punto 2). 6) controllo del funzionamento del sistema di test pulse sulla scheda eseguito applicando impulsi di piccola ampiezza su ciascuna delle 2 linee previste e verifica che commutino i canali interessati ad un valore predefinito della soglia. Richiede 4 generatori di test pulse e i contatori del punto 2). 7) verifica del disaccoppiamento fra i diversi canali ottenuta tramite impulsi ampi su ciascuna delle 2 linee di test pulse e controllando che i canali non interessati non commutino ad un valore predefinito della soglia. Richieste come al punto 6)