CROTTI, MATTEO CARLO
Picosecond resolution integrated electronics for single photon detector arrays [Tesi di dottorato]
Politecnico di Milano, info:eu-repo/date/embargoEnd/2016-01-29

Negli anni recenti la tecnica di misura di time-correlated single photon counting (TCSPC) si è sempre più diffusa in un elevato numero di campi, dalla medicina, alla chimica e alla biologia e in un alto numero di applicazioni, come la single molecule fluorescence spectroscopy, il fluorescence imaging, e la microscopia laser a scansione. Le misure di TCSPC consentono di analizzare segnali luminosi periodici estremamente deboli e veloci con una risoluzione temporale nell'ordine di poche decine di picosecondi e sostanzialmente consistono nel rilevamento di un singolo fotone e nella misura del suo istante di arrivo all'interno del periodo del segnale luminoso analizzato. Per condurre in modo corretto tali misure un'ipotesi fondamentale deve essere soddisfatta: la probabilità di rivelare più di un fotone all'interno di un singolo periodo del segnale luminoso deve essere trascurabile. Soddisfatta tale ipotesi, dopo il rilevamento di numerosi fotoni, è possibile ricostruire un istogramma basato sugli instanti di rivelazione misurati. L'istogramma così ottenuto rappresenta la distribuzione di probabilità dei fotoni all'interno del periodo e corrisponde quindi all'intensità del segnale luminoso. Molti dei sistemi TCSPC commerciali ad oggi disponibili sono focalizzati su applicazioni che richiedono un singolo canale di misura e, per realizzare sistemi multidimensionali, è necessario utilizzare più catene di acquisizione in parallelo, con un costo ed un'area occupata elevati. Ciò nonostante, lo sviluppo di matrici di rivelatori a singolo fotone sta portando alla realizzazione di sistemi multicanale, con svariate catene di acquisizione in parallelo, che permettono di soddisfare le specifiche di un maggior numero di applicazioni, come il fluorescence lifetime imaging e la diffuse optical tomography, che richiedono un elevato numero di canali in modo da ridurre la durata della misura; di conseguenza, la riduzione del costo della singola catena di acquisizione è della massima importanza. Inoltre, per realizzare un sistema compatto, risulta cruciale anche la riduzione dell'area occupata e della potenza dissipata. Come detto in precedenza, una delle parti più importanti in una catena di acquisizione per TCSPC è il blocco di misura temporale; nelle applicazioni, per la misura temporale risultano fondamentali tre requisiti, in modo da ricostruire il segnale analizzato senza introdurre distorsioni: una elevata risoluzione temporale, nell'ordine di poche decine di picosecondi, una bassa non-linearità differenziale, di pochi punti percentuali della larghezza di canale dell'istogramma, ed un elevata frequenza di misura, nell'ordine di alcuni megahertz. Tale blocco è tipicamente implementato in due modalità: utilizzando un time-to-digital converter (TDC) o un time-to-amplitude converter (TAC) seguito da un analog-to-digital converter (ADC). Sebbene l'utilizzo di un TDC comporti una minore occupazione di area, la DNL ottenibile con tale struttura è piuttosto elevata; di conseguenza è stata scelta una struttura basata su un TAC in quanto consente di ottenere prestazioni migliori, anche di un ordine di grandezza, mantenendo un'elevata risoluzione ed un'alta frequenza di conversione. Inoltre i moderni ADC multicanale caratterizzati da un'elevata risoluzione (14 bit) e da un'alta frequenza di conversione (svariate decine di MHz) permettono di sviluppare facilmente sistemi multicanale. All'interno dei vari esempi di TAC e TDC integrati riportati in letteratura, si possono distinguere due famiglie principali: strutture con uno o pochi canali, che raggiungono elevate prestazioni ma che presentano grandi aree di silicio ed elevate dissipazioni di potenza, e strutture con un elevato numero di canali, caratterizzate da piccole aree e basse dissipazioni di potenza ma con prestazioni peggiori in termini di risoluzione temporale e di non-linearità differenziale. Di conseguenza si rende necessario lo sviluppo di una nuova tipologia di convertitore, che garantisca elevate prestazioni in contemporanea con una piccola area ed un costo limitato. Per soddisfare tutti i requisiti richiesti dai sistemi TCSPC multidimensionali è stato sviluppato un time-to-amplitude converter completamente integrato in tecnologia Si-Ge BiCMOS a 0.35µm. In questo lavoro saranno descritti i passaggi principali che hanno portato alla realizzazione di un TAC integrato multicanale. La prima struttura progettata consiste in un TAC a singolo canale, che è stato utilizzato come prototipo per valutare le prestazioni e verificare la possibilità di allargare il sistema ad un più elevato numero di canali. Si è quindi sviluppata una struttura a due canali, caratterizzata da elevate prestazioni, comparabili con quelle ottenute dai dispositivi allo stato dell'arte, e che ha permesso una prima valutazione del crosstalk tra i differenti canali e di individuare le possibili cause di interferenza. Sulla base di questo circuito è stato progettato un chip comprendente quattro canali, che può essere considerato il primo passo verso un più grande sistema integrato, poiché presenta sia elevate prestazioni, sia un crosstalk tra i canali molto ridotto. Poiché la non-linearità differenziale dei moderni ADC non è adatta alle richieste delle applicazioni TCSPC è necessario utilizzare una tecnica per ridurre la DNL. Per questo motivo è stata utilizzata la tecnica del dithering; anche in questo caso, per permettere lo sviluppo di catene di acquisizione caratterizzate da un elevato numero di canali, è necessario integrare assieme al TAC l'elettronica necessaria all'implementazione di tale tecnica (cioè un convertitore D/A ed uno stadio sommatore). Di conseguenza un DAC integrato ed uno stadio sommatore sono stati integrati nella stessa tecnologia in cui è stato realizzato il TAC. Infine è stato progettato un sistema completo a quattro canali, costituito da 4 TAC indipendenti seguiti da 4 stadi sommatori e da un convertitore D/A condiviso. Il sistema finale presenta prestazioni estremamente buone in termini di risoluzione temporale (inferiore a 20ps FWHM), non-linearità differenziale (inferiore al 4% della larghezza del canale temporale), rate di conversione (16MHz) e crosstalk fra i canali. L'area occupata dal singolo canale e la bassa potenza dissipata consentiranno di sviluppare sistemi TCSPC caratterizzati sia da elevate performance che da un elevato numero di catene di acquisizione in parallelo. Questa tesi è organizzata nel modo seguente: nel capitolo 1 viene brevemente descritta la tecnica di misura TCSPC; nel capitolo 2 sono presentate la struttura e le principali performance del TAC progettato; nei capitoli 3, 4 e 5 sono descritte nel dettaglio le strutture dei TAC rispettivamente a uno, due e quattro canali e vengono mostrate le principali performance sperimentalmente misurate. Nel capitolo 6 viene descritta la tecnica del dithering e sono presentate la struttura e le prestazioni del convertitore D/A e dello stadio sommatore sviluppati. Nel capitolo 7 viene descritta la struttura completa del sistema che include quattro TAC ed un DAC. Infine vengono mostrati gli sviluppi futuri e le conclusioni.

diritti: info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
GERACI, ANGELO
RECH, IVAN
ING-INF/01 - ELETTRONICA


Tesi di dottorato. | Lingua: en. | Paese: | BID: TD16091972