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 1st Workshop su “Photon Detection” 13-14 giugno 2007

Sommario L’ idea generale del presente progetto. Caratterizzazione, studio e realizzazione del modello del SiPM (MEPHI 3x3 - 5625 pixels) finalizzato alla simulazione in un ambiente di simulazione analogica (Spectre-Cadence) (SiPM del MEPHI) Considerazioni sulla scelta del circuito di ingresso. Il chip pilota. Il canale analogico. Risultati di simulazione. Conclusioni. Moscow State Engineering Physics Institute, Moscow, Russia; 1) Spiegare brevemente come trattare i SiPM nell’ambiente di simulazione analogica: riflettere sui possibili aspetti coinvolti, senza pretesa di fornire una metodologia ma offrire spunti per ragionamento. 2) Illustrare ilpresente progetto ASIC partendo dal modello elettrico del SiPM studiato tramite caraterizzazione dello stesso. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

L’ idea generale del presente progetto Generare un trigger quando un gruppo di fotoni colpisce il SiPM. Trigger generato quando il segnale supera una soglia prefissata regolabile. 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. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Modello semplificato del SiPM (1) Idark-pix tiene conto della corrente termica  temperatura e tensione di bias Vb. Cd-pix: capacità di giunzione  Vb profondità dello strato di svuotamento. La Rs-pix: resistenza ohmica per la limitazione nel geiger mode. Generatore di corrente Idark-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. Singolo pixel I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Modello semplificato del SiPM (2) Le misure per ricavare i parametri possibili solo sull’array completo di pixels. Ipotesi: approssimazione e riduzione: Parametri identici tra pixels. Stessa struttura: parametri riscalati linearmente. Modello Array Modello globale I.N.F.N. Roma2 Davide 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. Risposta al gradino per stimare RS e Cd L’andamento trovato è del tipo: I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Modello semplificato del SiPM (4) MODELLO Array: Impulso da singolo fotone equivalente: caricato su 50 W caricato su 500 W MODELLO Globale: I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Parametri: linearità Linearità dell’ampiezza di picco del segnale rispetto a n fotoni incidenti: dipende dal numero M di pixels e n<M. Il SiPM trattato M=5625 è lineare fino a circa 1000 pixels. Guadagno tipico 106  Fissiamo 400 000 e- ovvero 64 fC/pixel. FISSATA l’ impedenza di ingresso del preamplificatore che né determina la costante di tempo  il valore di picco del segnale in corrente per 1 pixel vale è una quantita’ K (volt o ampere) fissata. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Parametri: range dinamico Peak current (I) / k 40 n = 2 20 n = 40 10 3 2 1 t I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Circuito di ingresso dell’amplificatore per SiPM: vincoli e scelte Range dinamico -- scelta di amplificatore in corrente Velocità di risposta al fronte di salita. Riduzione al minimo del recovery time del sistema: Costante di tempo del circuito d’ingresso più bassa possibile. Bassa impedenza  Amplificatore di corrente I.N.F.N. Roma2 Davide 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. Scopo del chip pilota è anche quello di verificare le caratteristiche della catena analogica di preamplificazione-amplificazione. Alcune peculiarità da mettere in evidenza: Capacità di rivelazione di singolo fotone. Range dinamico e linearità, legati alla saturazione del numero di pixel colpiti (es. 1-1000 per il 3x3). Elevate caratteristiche di timing (risoluzione temporale < 300 ps). Guadagno elevato (ordine 106) I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Preamplificatore low-voltage “Fully differential” in corrente (1) Aumento della banda passante. Diminuzione dell’impedenza di ingresso. Immunità al rumore di modo comune esterno. Differenziale A Differenziale B In + In - Out + Out SiPM Feedback V b R L I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Preamplificatore low-voltage differenziale in corrente: schematico semplificato di un lato del circuito Idea di base: Current amplifier “fully balanced” con current mirror. Riduzione degli effetti negativi del mismatch tra i mosfets I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Preamplificatore low-voltage differenziale in corrente I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Circuito di accoppiamento: coppia differenziale 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. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Fast current comparator E’ uno zero crossing molto veloce. 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. J. Masciotti , L. Luu , D. Czarkowski , † Department of Electrical and Computer Engineering Polytechnic University Brooklyn, NY 11201 USA I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Pulse extender Durata impulso in uscita regolabile. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Chip prototipo pilota – schema generale Lo schema a blocchi rappresenta l’attuale progetto di front-end analogico per i SiPM in cui ciascun canale consiste di: Preamplificatore fully differential in corrente Buffer di uscita in tensione Generatore di soglia programmabile Discriminatore in corrente. I.N.F.N. Roma2 Davide 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 I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Simulazioni: risultati preliminari: offset sulla soglia Montecarlo Corners: variazione temperatura 0-80 gradi C Poiché l’offset può essere regolato indipendentemente per ciascun canale e non c’è eccessivo drift in temperatura la regolazione è efficace. I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Simulazioni: risultati preliminari: jitter intrinseco. Il jitter intrinseco è stato stimato con una analisi spettrale del rumore intrinseco riportato in ingresso al comparatore (~ 270 nA equivalenti) Inoise x1 x10 Out trigger Double buffer Pulse Extender In+ Preamplificatore differenziale in corrente Discriminatore In - Accoppiamento DAC in corrente a soglia Il risultato è un valore massimo compreso tra 20ps e 50ps nelle varie condizioni di simulazione I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Simulazioni: risultati preliminari: Soglia massima impostata vs Simulazioni: risultati preliminari: Soglia massima impostata vs. segnale rivelato Soglia massima impostata per ottenere il trigger in funzione dell’ampiezza dell’impulso di corrente (n. di pixels). I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Layout I.N.F.N. Roma2 Davide Badoni

Conclusioni e prossimi passi Il chip implementa 8 canali con un minimo di elettronica di readout. I risultati della simulazione schematico sono soddisfacenti. Il disegno del layout è appena terminato. Si utilizza il circuito EUROPRACTICE (Multiwafer projects), l’area di silicio prevista è di 10 mmq 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.N.F.N. Roma2 Davide Badoni