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Front-End VLSI CMOS 0.35mm per dispositivi SiPM mirato ad applicazioni TOF con soglia regolabile ed ampio range dinamico. Davide Badoni – INFN Roma Tor.

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1 Front-End VLSI CMOS 0.35mm per dispositivi SiPM mirato ad applicazioni TOF con soglia regolabile ed ampio range dinamico. Davide Badoni – INFN Roma Tor Vergata Collaborazione Altcriss-Sirad 1 st Workshop su Photon Detection giugno 2007

2 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Sommario L idea generale del presente progetto. L idea generale del presente progetto. Caratterizzazione, studio e realizzazione del modello del SiPM (MEPHI 3x pixels) finalizzato alla simulazione in un ambiente di simulazione analogica (Spectre-Cadence) (SiPM del MEPHI) Caratterizzazione, studio e realizzazione del modello del SiPM (MEPHI 3x pixels) finalizzato alla simulazione in un ambiente di simulazione analogica (Spectre-Cadence) (SiPM del MEPHI) Considerazioni sulla scelta del circuito di ingresso. Considerazioni sulla scelta del circuito di ingresso. Il chip pilota. Il chip pilota. Il canale analogico. Il canale analogico. Risultati di simulazione. Risultati di simulazione. Conclusioni. Conclusioni.

3 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni L idea generale del presente progetto Generare un trigger quando un gruppo di fotoni colpisce il SiPM. Generare un trigger quando un gruppo di fotoni colpisce il SiPM. Trigger generato quando il segnale supera una soglia prefissata regolabile. Trigger generato quando il segnale supera una soglia prefissata regolabile. Il range di regolazione della soglia copre tutto il range dinamico del SiPM. Il range di regolazione della soglia copre tutto il range dinamico del SiPM. In caso di arrivo di gruppi di fotoni con rate bassa, vengono selezionati gli eventi con intensità maggiore o uguale alla corrispondente soglia. In caso di arrivo di gruppi di fotoni con rate bassa, vengono selezionati gli eventi con intensità maggiore o uguale alla corrispondente soglia.

4 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Modello semplificato del SiPM (1) I dark-pix tiene conto della corrente termica temperatura e tensione di bias V b. I dark-pix tiene conto della corrente termica temperatura e tensione di bias V b. C d-pix : capacità di giunzione V b profondità dello strato di svuotamento. C d-pix : capacità di giunzione V b profondità dello strato di svuotamento. La R s-pix : resistenza ohmica per la limitazione nel geiger mode. La R s-pix : resistenza ohmica per la limitazione nel geiger mode. Generatore di corrente I dark-pix : effetto del fotone incidente: è stato scelto una forma quadra con una fissata durata temporale T (molto breve). Generatore di corrente I dark-pix : effetto del fotone incidente: è stato scelto una forma quadra con una fissata durata temporale T (molto breve). Scegliendo differenti ampiezze I siamo in grado di simulare diverse produzioni di carica Q(t)=I*T guadagno del SiPM. Scegliendo differenti ampiezze I siamo in grado di simulare diverse produzioni di carica Q(t)=I*T guadagno del SiPM. Singolo pixel

5 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Modello semplificato del SiPM (2) Le misure per ricavare i parametri possibili solo sullarray completo di pixels. Le misure per ricavare i parametri possibili solo sullarray completo di pixels. Ipotesi: Ipotesi: approssimazione e riduzione: Parametri identici tra pixels. Stessa struttura: parametri riscalati linearmente. Modello globale Modello Array

6 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Modello semplificato del SiPM (3) Misure al buio: i contributi dei generatori di corrente sono piccoli e si considerano globalmente come una corrente media. Misure al buio: i contributi dei generatori di corrente sono piccoli e si considerano globalmente come una corrente media. Risposta al gradino per stimare R S e C d Risposta al gradino per stimare R S e C d Landamento trovato è del tipo: Landamento trovato è del tipo:

7 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Modello semplificato del SiPM (4) MODELLO Array: MODELLO Array: Impulso da singolo fotone equivalente: caricato su 50 caricato su 50 caricato su 500 caricato su 500 MODELLO Globale: MODELLO Globale: Impulso da singolo fotone equivalente: caricato su 50 caricato su 50 caricato su 500 caricato su 500

8 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Parametri: linearità Linearità dellampiezza di picco del segnale rispetto a n fotoni incidenti: dipende dal numero M di pixels e n

9 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Parametri: range dinamico t Peak current (I) / k n = 2 n = 40

10 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Circuito di ingresso dellamplificatore per SiPM: vincoli e scelte Range dinamico -- scelta di amplificatore in corrente Range dinamico -- scelta di amplificatore in corrente Velocità di risposta al fronte di salita. Velocità di risposta al fronte di salita. Riduzione al minimo del recovery time del sistema: Riduzione al minimo del recovery time del sistema: Costante di tempo del circuito dingresso più bassa possibile. Bassa impedenza Amplificatore di corrente

11 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Chip prototipo pilota (1) Implementazione in VLSI full-custom in tecnologia CMOS AMS 0.35μm 4 metalli di un front-and analogico per i SiPM. Implementazione in VLSI full-custom in tecnologia CMOS AMS 0.35μm 4 metalli di un front-and analogico per i SiPM. Scopo del chip pilota è anche quello di verificare le caratteristiche della catena analogica di preamplificazione-amplificazione. Scopo del chip pilota è anche quello di verificare le caratteristiche della catena analogica di preamplificazione-amplificazione. Alcune peculiarità da mettere in evidenza: Alcune peculiarità da mettere in evidenza: Capacità di rivelazione di singolo fotone. Capacità di rivelazione di singolo fotone. Range dinamico e linearità, legati alla saturazione del numero di pixel colpiti (es per il 3x3). Range dinamico e linearità, legati alla saturazione del numero di pixel colpiti (es per il 3x3). Elevate caratteristiche di timing (risoluzione temporale < 300 ps). Elevate caratteristiche di timing (risoluzione temporale < 300 ps). Guadagno elevato (ordine 10 6 ) Guadagno elevato (ordine 10 6 )

12 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Preamplificatore low-voltage Fully differential in corrente (1) Aumento della banda passante. Aumento della banda passante. Diminuzione dellimpedenza di ingresso. Diminuzione dellimpedenza di ingresso. Immunità al rumore di modo comune esterno. Immunità al rumore di modo comune esterno. Differenziale A Differenziale B In + In- Out + Out- SiPM Feedback V b R L

13 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Preamplificatore low-voltage differenziale in corrente: schematico semplificato di un lato del circuito Idea di base: Current amplifier fully balanced con current mirror. Idea di base: Current amplifier fully balanced con current mirror. Riduzione degli effetti negativi del mismatch tra i mosfets Riduzione degli effetti negativi del mismatch tra i mosfets

14 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Preamplificatore low-voltage differenziale in corrente

15 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Circuito di accoppiamento: coppia differenziale E necessario ritornare al single-ended perchè il current comparator è uno zero crossing single ended. E necessario ritornare al single-ended perchè il current comparator è uno zero crossing single ended. Si sfrutta la seconda uscita in tensione per prelevare il segnale da inviare ai buffer di uscita. Si sfrutta la seconda uscita in tensione per prelevare il segnale da inviare ai buffer di uscita.

16 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Fast current comparator E uno zero crossing molto veloce. E uno zero crossing molto veloce. Lavora egregiamente con piccole correnti ma anche per correnti elevate. Lavora egregiamente con piccole correnti ma anche per correnti elevate. La versione implementata è più complessa ed elaborata di questa di basa illustrata, per ottenere maggiori prestazioni in timing per basse correnti. La versione implementata è più complessa ed elaborata di questa di basa illustrata, per ottenere maggiori prestazioni in timing per basse correnti.

17 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Pulse extender Durata impulso in uscita regolabile.

18 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Chip prototipo pilota – schema generale Lo schema a blocchi rappresenta lattuale progetto di front-end analogico per i SiPM in cui ciascun canale consiste di: Preamplificatore fully differential in corrente Preamplificatore fully differential in corrente Buffer di uscita in tensione Buffer di uscita in tensione Generatore di soglia programmabile Generatore di soglia programmabile Discriminatore in corrente. Discriminatore in corrente.

19 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Simulazioni: risultati preliminari: prestazioni e parametri sensibili (1) Effettuate simulazioni complete: TIPICA – CORNERS - MONTECARLO Range dinamico di regolazione soglia: 160 uA per il massimo di 1000 pixels equivalenti regolabile a step di 1 pixels (160 nA) con un valore minimo di 3 pixels. Offset sulla soglia Tempi di salita del segnale in ingresso al comparatore: circa 2 ns. Delay (tra attraversamento soglia e start trigger) Potenza dissipata: 16 mW Jitter intrinseco stimato

20 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Simulazioni: risultati preliminari: offset sulla soglia Poiché loffset può essere regolato indipendentemente per ciascun canale e non cè eccessivo drift in temperatura la regolazione è efficace. Poiché loffset può essere regolato indipendentemente per ciascun canale e non cè eccessivo drift in temperatura la regolazione è efficace. MontecarloCorners: variazione temperatura 0-80 gradi C

21 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Simulazioni: risultati preliminari: jitter intrinseco. x1 x10 Double buffer In+ Preamplificatore differenziale incorrente In- Accoppiamento Discriminatore asoglia DAC incorrente Out trigger Pulse Extender Il jitter intrinseco è stato stimato con una analisi spettrale del rumore intrinseco riportato in ingresso al comparatore (~ 270 nA equivalenti) Inoise Il risultato è un valore massimo compreso tra 20ps e 50ps nelle varie condizioni di simulazione

22 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Simulazioni: risultati preliminari: Soglia massima impostata vs. segnale rivelato Soglia massima impostata per ottenere il trigger in funzione dellampiezza dellimpulso di corrente Soglia massima impostata per ottenere il trigger in funzione dellampiezza dellimpulso di corrente (n. di pixels).

23 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Layout

24 I.N.F.N. Roma2Davide Badoni Conclusioni e prossimi passi Il chip implementa 8 canali con un minimo di elettronica di readout. Il chip implementa 8 canali con un minimo di elettronica di readout. I risultati della simulazione schematico sono soddisfacenti. I risultati della simulazione schematico sono soddisfacenti. Il disegno del layout è appena terminato. Il disegno del layout è appena terminato. Si utilizza il circuito EUROPRACTICE (Multiwafer projects), larea di silicio prevista è di 10 mmq Si utilizza il circuito EUROPRACTICE (Multiwafer projects), larea di silicio prevista è di 10 mmq Il run previsto è quello di luglio. Il run previsto è quello di luglio. I test che sarà possibile attuare su questo prototipo permetteranno di aggiustare e consolidare il tiro sulle scelte circuitali in atto. I test che sarà possibile attuare su questo prototipo permetteranno di aggiustare e consolidare il tiro sulle scelte circuitali in atto.


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