Progetto di elettronica di conversione tempo-ampiezza integrata per applicazioni TCSPC ad elevato count rate

The aim of this thesis was the design of single integrated time-to-amplitude converters (TAC) for Time-Correlated Single Photon Counting applications. Modern applications, especially regarding the biomedical field, require conversion electronics designed to rapidly acquire a large number of information with a high degree of precision. The design of single-channel structures is often tied to a trade-off between conversion speed and other performances: linearity and, above all, precision. The aim of this thesis was the design of a solution capable of overcoming this trade-off by means of a structure called FastTAC (FTAC). It consists in the combination of individual independent channels featuring high-performance in terms of linearity and precision: through a sequential start-up of these channels it is also possible to reach a maximum conversion frequency greater than 80MHz, keeping other performance virtually unchanged. Finally, in the intention of overcoming the actual state of art of integrated TAC converters in terms of precision, a single-channel with ultra-high precision performance (about 5ps) was designed. In addition, the performance of this channel in terms of linearity (0.1 %LSB rms) and conversion frequency (6.5MHz) makes it suitable to be the building block of a future FastTAC structure.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è stato la progettazione di singoli canali di conversione tempo-ampiezza (TAC) integrati per applicazioni Time-Correlated Single Photon Counting. Le moderne applicazioni, specialmente in campo biomedicale, richiedono un’elettronica di conversione pensata per acquisire rapidamente un gran numero di informazioni con un elevato grado di precisione. La progettazione di strutture a singolo canale è spesso vincolata ad un trade-off tra la velocità di conversione e le altre prestazioni: linearità e, soprattutto, precisione. Lo scopo di questa tesi è quello di proporre una soluzione per risolvere questo trade-off mediante una struttura detta FastTAC (FTAC). Esso è costituito dall’unione di singoli canali indipendenti caratterizzati da alte prestazioni di linearità e precisione: mediante un avviamento sequenziale di questi canali è possibile raggiungere, inoltre, una frequenza massima di conversione maggiore di 80MHz, mantenendo le altre performance praticamente inalterate. Infine, nell’intenzione di superare lo stato dell’arte attuale dei convertitori TAC integrati in termini di precisione, è stato progettato un singolo canale ad altissime prestazioni di precisione: circa 5ps. Questo canale, inoltre, si presta per linearità (0.1%LSB rms) e frequenza di conversione (6.5MHz) ad essere impiegato in una futura struttura FastTAC.