Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri Relatore: Correlatore: Prof. Alberto Tosi Ing. Alberto Dalla Mora

Funzionamento del capacimetro Taratura e misure sperimentali Sommario La capacità dello SPAD Funzionamento del capacimetro Taratura e misure sperimentali Conclusioni e prospettive In questa presentazione verrà analizzata la rivelazione di singoli fotoni nel campo del vicino infrarosso, in termini di applicazioni e di rivelatori utilizzabili; verrà descritto il tipo di fotorivelatore progettato, in termini di funzionamento e di struttura, ed infine si analizzeranno i vari parametri di progetto dello SPAD che sono stato ottimizzati per giungere al progetto finale del dispositivo.

Il fotorivelatore SPAD Rivelazione del fotone: Confronto APD – SPAD :

Circuiti di spegnimento passivi Gated – Mode Free Running Errori di rivelazione Alzare Soglia

“Capacimetro per diodi polarizzati” I REQUISITI: Range: da 0.1pF a 20pF Risoluzione: 5fF Bassi parassitismi Polarizzazione dello SPAD Tensione linearmente dipendente dal valore della capacità

“Capacimetro per diodi polarizzati” II Analisi circuitale Guadagno ideale Due zeri nell’origine Ad alte frequenze: Guadagno reale con banda limitata da CAK Caratteristiche: Frequenza di 50kHz Ingresso di ampiezza 0.1V con conseguente uscita da 15mV a 3V

Presentazione dello SPADCapMeter Svantaggi : Generatore di funzioni; Oscilloscopio; Nessun interfacciamento; Necessità programma di calcolo.

SPADCapMeter Front-end Analogico Convertitore A/D Alimentazione Capacimetro Generatore di sinusoide Microcontrollore

Generazione Sinusoide Microcontrollore Filtro Passa Banda Filtro a reazione multipla

Front-end analogico 5µs Input SOC Comparatore Ritardatore

Scelta Convertitore A/D Requisiti ∆V = 0.1V 700fF x 5fF = 0.7mV fSAMPLE > 50ksps SOC attivo basso LTC1417A r ∆V = 4.096V 214 = 250μV fSAMPLE = 400ksps max Comunicazione SPI

Microcontrollore – Hardware Gestione SPADCapMeter USB PWM Vantaggi USB: Protocollo largamente diffuso; Plug and Play; Alta velocità di trasferimento; Autoalimentazione. CORE SPI PIC18F4550

Inizializzazione hardware: Firmware Blocchi principali: Inizializzazione hardware: SPI Timer USB Gestione USB Acquisizione ed elaborazione: Filtro mediano + media

 USB: fornisce 5V @ 500mA MAX; SPADCapMeter: Alimentazione USB: fornisce 5V @ 500mA MAX; SPADCapMeter: Assorbe 75mA; Necessita di ±5V Circuito a pompa di carica: 

Realizzazione pratica Alimentazione Microcontrollore Convertitore A/D Generatore di sinusoide Front-end Analogico

Due pannelli ausiliari Interfaccia Labview Due tipi di misure: Misura singola Misura caratteristica Due pannelli ausiliari Taratura Cparassita Pannello delle Opzioni Abilitazione correzione Caricamento file di taratura di default Impostazioni di esportazione dei files

Verifica caratteristica Misura Cparassite Caratteristica Vp - Cak Misure Obiettivo: Caratterizzazione di uno SPAD in silicio con VB=17V Taratura: Verifica caratteristica Misura Cparassite Caratteristica Vp - Cak 2.214pF ± 0.5fF Ccorrezione data da Cbk serie Cba ~ Cbk

Sviluppato sistema per misura di capacità rivelatori SPAD; Conclusioni Sviluppato sistema per misura di capacità rivelatori SPAD; Range di Misura tra 0.1pF – 20pF; Misura automatizzata mediante microcontrollore; Interfaccia USB e gestione via Labview.

Alimentatore ±15V per operazionali scheda capacimetro Prospettive Alimentatore ±15V per operazionali scheda capacimetro Generatore tensione di bias per SPAD Aggiunta funzionalità al software

Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD Grazie per l’attenzione Tamborini Davide e Ruggeri Alessandro Relatore: Correlatore: Prof. Alberto Tosi Ing. Alberto Dalla Mora

Gated – Mode a prelievo differenziale

Studio Capacimetro

Filtro Passa Banda

Front-end analogico II Scelta soglie: Durata impulso monostabile : In corrispondenza del massimo valore dell’ingresso si ha lo Start Of Conversion

Filtraggio

Codice C

Funzionamento interfaccia Blocco fondamentale: getM.vi Esempio di acquisizione: misura caratteristica

Caratterizzazione dello SPAD usando una Vp da 0V a 15V con passi di 1V Misure Caratterizzazione di uno SPAD al silicio con VB=17V Taratura dello strumento con tre condensatori di precisione da 0.7pF, 1.1pF e 4.3pF; Controllo della taratura con un quarto condensatore da 2.2pF tramite misura singola; Rilevazione delle capacità parassite dello SPAD, misurando CAK, CBK e CBA con Vp=0; Caratterizzazione dello SPAD usando una Vp da 0V a 15V con passi di 1V