Progetto di un filtro semigaussiano a minimo rumore e ridotta dispersione di guadagno per preamplificatori a reset impulsato in sistemi di spettroscopia di raggi X ad alta risoluzione energetica

Questa Tesi ha riguardato lo studio, la progettazione e la simulazione di un filtro (Shaper) semigaussiano all’interno di un Front-End analogico destinato a rivelatori a semiconduttore per l’acquisizione di fotoni X su energie comprese tra i 100 eV e gli 80 keV per applicazioni di spettroscopia. Partendo da uno Shaper recentemente sviluppato nell’ambito del progetto LOFT, si è progettato un filtro semigaussiano del primo ordine a bassissimo rumore, compatibile con preamplificatori con ENC prossime a 1 elettrone r.m.s.. Oltre che all’abbattimento del rumore del filtro originario di un ordine di grandezza (da 12 a 1 elettrone r.m.s.), si sono mantenute buone prestazioni di linearità e consumo di potenza ed è stato esteso il range di peaking time e reso selezionabile il dynamic range sull’intero Front-End. Successivamente sono state studiate teoricamente le caratteristiche degli Shaper semigaussiani di ordine superiore, evidenziandone le prestazioni di rumore e la forma e la rapidità degli impulsi realizzati da tali filtri, in modo da scegliere l’ordine che meglio garantisce contemporaneamente basse prestazioni di rumore e ottime frequenze di acquisizione del segnale. E’ stata poi affrontata la questione del reset impulsato del preamplificatore, analizzando come questo agisce sullo Shaper, per poi descrivere approfonditamente le modifiche circuitali adottate per rendere il filtro completamente trasparente all’impulso di reset. Infine, è stato affrontato il problema della dispersione del guadagno di conversione, introducendo un blocco di Fine Gain in grado di ridurre efficacemente la dispersione causata dai mismatch statistici e dalle variazioni di processo su ciascun chip. Sono stati quindi progettati due Shaper semigaussiani: uno del primo ordine, con basso rumore, buone prestazioni di linearità (non linearità inferiore all’1%), peaking time e guadagno selezionabili e con una deviazione standard relativa percentuale sul guadagno dell’intero Front-End compresa tra l’1% e il 5%; e uno Shaper semigaussiano del secondo ordine, con peaking time e guadagno selezionabili, ma con migliori prestazioni di rumore (fino ad 1 elettrone r.m.s.) e completamente trasparente al segnale di reset impulsato.