Progetto di un convertitore tempo-ampiezza integrato in tecnologia SiGe 0.35um ad elevata precisione per applicazioni TCSPC

Recently, optical measurement techniques based on the principle of Time- Correlated Single Photon Counting have become increasingly popular in a large number of fields, from industrial to biomedical, responding to the need to acquire extremely weak and fast light signals. The TCSPC technique is based on the periodical triggering of a light event, whose waveform has to be measured, and on the measurement of the arrival time of single photons within the period through particular sensors characterized by high internal gain (Single-Photon Avalanche Diode). Since the probability of detecting a photon is directly proportional to the luminous intensity at that instant, the histogram built on the number of photons acquired as a function of the arrival time is equivalent to the emitted light intensity curve. During this thesis work, one of the fundamental blocks of the signal acquisition chain was developed, namely the circuit responsible for measuring and converting the arrival time of the photons within the period. The chosen architecture is a Time-to-Amplitude Converter (TAC), as it currently allows for the best performance in terms of linearity and precision, as required by most applications. Given the growing demand for multi-channel acquisition systems, however, it is also necessary for the circuit to have small dimensions and low power consumption to foster the use of tens or hundreds of independent parallel channels. This work's purpose was to comply with and overcome these specifications, trying to maximize every performance of the converter, especially the temporal precision, with an area and power consumption not higher than the best integrated systems reported in literature. The exploitation of smart architectures and accurate sizing made possible to obtain a temporal precision lower than 4ps FWHM and a DNL of less than 1% LSB, as well as a power dissipation of about 70mW on a 1mm^2 chip.

Recentemente, le tecniche di misura ottica basate sul principio del Time- Correlated Single Photon Counting hanno acquisito crescente popolarità in diversi settori, da quello industriale a quello biomedico, rispondendo alla necessità di acquisire segnali luminosi estremamente deboli e veloci. La tecnica TCSPC si basa sulla riproduzione periodica di un evento luminoso del quale si vuole misurare la forma d'onda, e sulla misura del tempo di arrivo dei singoli fotoni all'interno del periodo attraverso particolari sensori ad elevatissimo guadagno interno (Single-Photon Avalanche Diode). Poiché la probabilità di rilevare un fotone è direttamente proporzionale all'intensità luminosa in quell'istante, l'istogramma costituito dal numero di fotoni acquisiti in funzione del tempo di arrivo è equivalente alla curva d'intensità luminosa emessa. Nel corso di questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno dei blocchi fondamentali della catena di acquisizione del segnale, ovvero il circuito responsabile della misura e conversione del tempo di arrivo dei fotoni all'interno del periodo. L'architettura scelta è quella di un Time-to-Amplitude Converter (TAC), poiché attualmente permette di ottenere le migliori prestazioni in termini di linearità e precisione, come richiesto dalla maggior parte delle applicazioni. Data la crescente richiesta di sistemi di acquisizione multicanale, tuttavia, è anche necessario che il circuito presenti dimensioni e consumi contenuti per favorire la parallelizzazione di decine o centinaia di canali indipendenti. Il presente lavoro ha avuto l'obiettivo di rispettare e superare queste specifiche, cercando di massimizzare tutte le prestazioni del convertitore, in particolare la precisione temporale, con un consumo di area e potenza non superiore a quello dei migliori sistemi integrati riportati in letteratura. Attraverso l'adozione di architetture ottimizzate e dimensionamenti accurati è stato possibile ottenere una precisione temporale inferiore ai 4ps FWHM e una DNL minore dell'1% di LSB, con una dissipazione di circa 70mW su un chip di 1mm^2.