Charge to digital converter for SiPMs front-end electronics

The nuclear medicine is largely used as diagnostic tool and is capable to identify, through a radioactive compound, the presence of tumoral cells, any endocrine, gastrointestinal or neurological disturbs and anomalies in the patient under examination. There are different techniques for this type of medicine, but one of the most exploited is the Positron Emission Tomography (PET). PET is based on the coincident identification of gamma photons that result from an annihilation process between an electron of a human cell and a positron released by a decade atom of the introduced compound. This procedure allows to acquire 3-D distributions of the radioactive tracer. Two tasks have been carried out in this master thesis: implementation of a single front-end channel (made of an amplifier and a gated integrator) and the design of a 10-bit SAR analog-to-digital converter. The first task includes the implementation of a current preamplifier for the integrated SiPM using a 0.35-μm CMOS technology. The output current will feed a TDC (for time measurements, not included in this thesis work) and a gated integrator (for charge measurements), whose output is then converted into digital format by a 10-bit SAR ADC.

La medicina nucleare è ampiamente usata come strumento diagnostico ed è in grado di individuare, attraverso l’impiego di una miscela radioattiva, la presenza di cellule tumorali, disturbi dell’endocrino, disturbi gastrointestinali o neurologici e altre anomalie nel paziente in esame. Esistono diverse tecniche per questo tipo di medicina, ma la più utilizzata è la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET). La PET è basata sul rilevamento coincidente di raggi gamma ottenuti attraverso un processo di annichilazione tra un elettrone di una cellula umana e un positrone rilasciato da un atomo decaduto della miscela introdotta. Questa procedura permette di acquisire distribuzioni 3-D del radio farmaco. Questo lavoro di tesi è sviluppato in due parti distinte: realizzazione di un front-end a singolo canale (composto da un preamplificatore e un gated integrator) e il design di un convertitore analogico-digitale SAR a 10 bits. La prima parte prevede l’implementazione di un preamplificatore in corrente per il SiPM integrato usando una tecnologia CMOS 0.35-μm. La corrente in uscita da tale amplificatore verrà poi fornita a un TDC (per misure del tempo, non incluso in questo lavoro di tesi) e a un gated integrator (per misure di carica), la cui uscita verrà poi convertita in formato digitale da un ADC SAR a 10 bits.