Progetto di AQC veloci in tecnologia 150nm per matrici di SPAD custom per applicazioni LIDAR

LIDAR (Light Imaging Detection And Ranging) technique is often used to measure the distance of one or more objects, and it is a very important technique for satellite airborne observation. SPAD (Single Photon Avalanche Diode) sensors are very well suited for LIDAR applications as they can detect single photons of light. The key parameter related to SPAD sensors in this applications is the dead time: once they absorb a photon, they are not sensitive to other photons for an amount of time of few nanoseconds. The dead time is determined by read-out electronics, the AQC (Active Quenching Circuit). The AQC main function is to detect the current flowing, quench the detector and then reset it. This thesis aims to develop few versions of AQCs for applications where it is required a unprecedented low dead time. This types of AQCs are designed to work with custom technology SPADs, as they offer the best performances.The use of custom technology SPAD forces the SPAD and the read-out electronics to be on different chips, which causes the reduction of the dead time extremely very challenging. This thesis contains three different projects. First, I have designed a single AQC able to work with both thin SPADs and RE-SPADs with the purpose of having a dead time lower than the current state of art, which is 6:2ns. Then I have designed an AQC able to further reduce the dead time for thin SPADs. At last, starting form the first single AQC, I designed an AQC array for an 8 X 8 SPAD matrix. These circuits are also extremely versatile and tunable. They can also be used in any counting application with any kind of external SPAD, with voltage supply reaching up to 30V and dead time higher than 100ns. From circuit simulations the minimum dead time of the first circuit and the array is 5.2ns while the minimum dead time for the second circuit is 3.5ns. With these results the circuits represent the current state of art for fast AQC for external SPADs.

La tecnica LIDAR (Light Imaging Detection And Ranging) è spesso utilizzata per la rilevazione della distanza di uno o più oggetto da una sorgente, in particolare essa è di notevole importanza per lo studio dell’atmosfera da satellite. Gli SPAD (Single Photon Avalanche Diode) sono ottimi sensori per questa tecnica, in quanto permettono la rilevazione dei singoli fotoni luce. Il parametro più importante nell’utilizzo degli SPAD risulta essere il loro tempo morto: una volta assorbito un fotone, il sensore ha bisogno di un tempo, dell’ordine dei nanosecondi, prima di poter contare il successivo. Il tempo morto è determinato dai parametri del sensore e dalla velocità di reazione dell’AQC (Active Quenching Circuit), il circuito responsabile di spegnere e riaccendere il sensore. Il lavoro di questa tesi consiste nel progetto di diversi AQC che permettano di utilizzare sensori SPAD in applicazioni in cui è richiesto un tempo estremamente ridotto. Gli AQC progettati in questa tesi sono ideati per operare con SPAD in tecnologia custom in quanto essi presentano le migliori prestazioni. L’utilizzo di SPAD in tecnologia custom obbliga il sensore e l’elettronica ad essere su due chip diversi, rendendo molto ardua la riduzione del tempo morto. Il lavoro di questa tesi si divide in tre progetti di AQC. In primo luogo, ho progettato un AQC singolo che potesse funzionare con SPAD sottili e RE-SPAD e che presentasse un tempo morto inferiore allo stato dell’arte attuale (6.2ns). Successivamente ho progettato un AQC pensato esclusivamente per operare con SPAD sottili, per minimizzare ulteriormente il tempo morto di questi ultimi. Infine ho progettato un array utilizzabile per matrici di 8 X 8 SPAD. La matrice in questione può essere composta da SPAD sottili o RE-SPAD. Questi progetti sono caratterizzati da una estrema versatilità e possono essere utilizzati con SPAD in qualunque applicazione di conteggio con qualunque tipo di SPAD esterno, grazie alla possibilità di far variare la tensione di alimentazione fino a 30V ed il tempo morto fino ad oltre 100ns. Dalle simulazioni i circuiti risultano presentare un tempo morto minimo di 5.2ns, per il primo progetto e per l’array, e di 3.5ns per il secondo circuito. Con questi risultati questi circuiti si candidano per diventare lo stato dell’arte in termini di AQC veloci per SPAD esterni.