The thesis reports the analysis and design of a low-noise charge sensitive amplifier (CSA) exploited in the readout ASIC of the ultraviolet ray detector, under the label of PLUS project. Planetary Ultraviolet Spectroscopy (PLUS) project aims to develop a detector using a microchannel plate detector (MCP) and low-noise readout integrated circuit for UV-ray detection in astronomical applications. A low-noise shaping amplifier is essential to allow to use of the MCP detector with a low gain, with significant advantages in dynamics and lifetime. The crucial requirement on spatial resolution led to the choice of a small pixel area that imposes a small area occupying CSA. Moreover, to not lose events, a high counting rate capability is also required. These specifications led to the design of a low-noise, small-area-occupying, and fast response charge sensitive amplifier in 65nm technology which confines the noise below 25 electrons with a shaping time of 293nsec. Chapter 1 provides an introduction to UV-ray and corresponding detector categories, microchannel plates and their classification, then the PLUS project. Chapter 2 introduces two well-known architectures implemented in hybrid pixel detectors and introduces the architecture of the PLUS chip. Chapter 3 opens the discussion about the detector pulse processing methods, its building blocks, main performance parameters such as ENC and its optimization, practical shaping filters, and issues that may occur in analog pulse processing. Chapter 4 deals with the analysis and design of the charge sensitive amplifier (CSA). Networks commonly used for the implementation of the shaping filter and amplifier are studied in-depth, compared theoretically, then the best candidates are selected for the CSA in PLUS chip. This chapter also presents the preliminary study, methodology, and challenges in the design of low-noise shaping filters. Chapter 5 focuses on the design and simulation of amplifier and ICON Cell as building blocks of the CSA, initiated by intensive study about ENC lowering and its trade-off with pileup phenomena, aiming to choose the optimum configuration while also considering the limitation in the area required for physical implementation. The discussion is then followed by the study of variations and the occurrence of possible errors in fabrication by corner analysis and Monte Carlo simulations. Then, the post-layout simulation to study the role of the parasitics in the operation of CSA. In the end, the thesis is closed with a remark on the chip development status.
La tesi riporta l'analisi e la progettazione di un amplificatore di carica a basso rumore (CSA), utilizzato in un ASIC di readout nell’ambito del progetto PLUS. Il progetto Planetary Ultraviolet Spectroscopy (PLUS) mira a sviluppare un innovativo spettrometro di imaging EUV / VUV, impiegando un rivelatore MicroChannel Plate (MCP) e un circuito integrato di readout a basso rumore. Un amplificatore di carica (CSA) a basso rumore è essenziale per operare con rivelatori MCP a basso guadagno, con notevoli vantaggi in dinamica e durata di vita. L’importante requisito sulla risoluzione spaziale ha imposto limiti per quanto riguarda l’area di implementazione. Inoltre, affinchè non vengano persi eventi, è necessaria un'elevata capacità di conteggio. Queste specifiche hanno portato alla progettazione di un amplificatore di carica a basso rumore, al di sotto di 25 elettroni a shaping time di 293 ns, con alte capacità di conteggio occupando un'area ridotta. Il Capitolo 1 fornisce un'introduzione ai raggi UV e alle categorie di rivelatori corrispondenti, ai rivelatori MCP e alla loro classificazione, quindi al progetto PLUS. Il Capitolo 2 introduce due architetture ben note implementate in rilevatori ibridi e introduce l'architettura del chip PLUS. Il Capitolo 3 apre la discussione sui metodi di elaborazione degli impulsi del rivelatore, sugli elementi costitutivi, sui principali parametri di prestazione come ENC e la sua ottimizzazione, sui sistemi di filtraggio e sulle problematiche che possono verificarsi nell'elaborazione dell'impulso analogico. Il capitolo 4 riporta l'analisi e la progettazione dell'amplificatore di carica (CSA). Le reti comunemente utilizzate per l'implementazione del filtro di shaping e dell'amplificatore vengono studiate e confrontate in modo approfondito; vengono quindi selezionati i migliori candidati per il CSA del readout ASIC per il progetto PLUS. Questo capitolo presenta anche uno studio preliminare, la metodologia e le sfide nella progettazione di filtri di shaping a basso rumore. Il capitolo 5 si concentra sulla progettazione e simulazione dell'amplificatore e della cella ICON, elementi costitutivi del CSA. Esso è introdotto da uno studio intensivo sull'abbassamento dell'ENC e il suo compromesso con i fenomeni di pile-up, con l'obiettivo di scegliere la configurazione ottimale considerando anche le limitazioni di area. La discussione è quindi seguita dallo studio delle variazioni e dal verificarsi di possibili errori durante la fabbricazione mediante l’analisi dei corner e simulazioni Monte Carlo. Successivamente vengono riportate simulazioni di post-layout per studiare il ruolo dei parassitismi nel funzionamento del CSA. Infine, la tesi si conclude con un commento sullo stato di sviluppo del chip.
Design of a low noise charge sensitive amplifier in 65nm CMOS technology for the readout of micro channel plate
Mohammad Zaki, Ali Reza
2019/2020
Abstract
The thesis reports the analysis and design of a low-noise charge sensitive amplifier (CSA) exploited in the readout ASIC of the ultraviolet ray detector, under the label of PLUS project. Planetary Ultraviolet Spectroscopy (PLUS) project aims to develop a detector using a microchannel plate detector (MCP) and low-noise readout integrated circuit for UV-ray detection in astronomical applications. A low-noise shaping amplifier is essential to allow to use of the MCP detector with a low gain, with significant advantages in dynamics and lifetime. The crucial requirement on spatial resolution led to the choice of a small pixel area that imposes a small area occupying CSA. Moreover, to not lose events, a high counting rate capability is also required. These specifications led to the design of a low-noise, small-area-occupying, and fast response charge sensitive amplifier in 65nm technology which confines the noise below 25 electrons with a shaping time of 293nsec. Chapter 1 provides an introduction to UV-ray and corresponding detector categories, microchannel plates and their classification, then the PLUS project. Chapter 2 introduces two well-known architectures implemented in hybrid pixel detectors and introduces the architecture of the PLUS chip. Chapter 3 opens the discussion about the detector pulse processing methods, its building blocks, main performance parameters such as ENC and its optimization, practical shaping filters, and issues that may occur in analog pulse processing. Chapter 4 deals with the analysis and design of the charge sensitive amplifier (CSA). Networks commonly used for the implementation of the shaping filter and amplifier are studied in-depth, compared theoretically, then the best candidates are selected for the CSA in PLUS chip. This chapter also presents the preliminary study, methodology, and challenges in the design of low-noise shaping filters. Chapter 5 focuses on the design and simulation of amplifier and ICON Cell as building blocks of the CSA, initiated by intensive study about ENC lowering and its trade-off with pileup phenomena, aiming to choose the optimum configuration while also considering the limitation in the area required for physical implementation. The discussion is then followed by the study of variations and the occurrence of possible errors in fabrication by corner analysis and Monte Carlo simulations. Then, the post-layout simulation to study the role of the parasitics in the operation of CSA. In the end, the thesis is closed with a remark on the chip development status.| File | Dimensione | Formato | |
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