Progetto di un convertitore tempo-ampiezza multicanale integrato in tecnologia SiGe 0.35um ad elevate prestazioni per applicazioni TCSPC

In recent years, the Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique is increasingly widespread in a great variety of different fields, from chemistry to medicine, up to the biomedical field, and it is widely adopted in all applications involving the measurement of fluorescence curves, such as Fluorescence Lifetime Imaging or Single Molecule Spectroscopy. TCSPC systems allow the measurement of extremely weak and fast light signals and they mainly consist in the repeated measurement of the time interval between the photon detection and the photon emission from the laser that excited the sample. One of the fundamental elements of TCSPC systems is the electronics used to measure the time interval. This task can be done by a time-to-amplitude converter (TAC) and it is of utmost importance that this is as fast, accurate and linear as possible. In this work, an 8-channel integrated device will be realized, which overcomes the current state-of-the-art performance of time converters, mainly realized with discrete components. Starting from a previously developed TAC, its individual performance will be improved and an error found during the test of the chip will be fixed. Subsequently, the single TAC will be used to implement a configurable multichannel structure that not only allows the independent use of each conversion channel, but it also gives the possibility to increase the conversion speed and improve the precision of the single channel. This structure is called FTAC and it provides the maximum freedom of choice to the end user so that he can decide which is the trade-off between speed and precision that best suits his requirements. The new FTAC structure reaches a conversion frequency up to 80MHz and allows to obtain a maximum precision of 1.4ps FWHM with a DNL <1%, in a chip with an area equal to 6.58mm2.

Negli ultimi anni, la tecnica del Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) è sempre più diffusa in una molteplicità di ambiti diversi, dalla chimica alla medicina, fino al campo biomedico, ed è largamente adottata in tutte le applicazioni che vertono sulla misura delle curve di fluorescenza, come la Fluorescense Lifetime Imaging o la Single Molecule Spectroscopy. I sistemi TCSPC permettono la misura di segnali luminosi estremamente deboli e veloci e consistono, principalmente, nella misura ripetuta dell’intervallo temporale che intercorre fra la rivelazione dei singoli fotoni e l’emissione del segnale laser che ha stimolato il campione. Uno degli elementi fondamentali dei sistemi TCSPC è l’elettronica che si occupa di misurare l’intervallo temporale. Questo compito può essere svolto da un convertitore tempo-ampiezza (TAC) ed è fondamentale che questo sia il più veloce, preciso e lineare possibile. Nel presente lavoro di tesi verrà realizzata una struttura integrata ad 8 TAC che superi le prestazioni offerte dell’attuale stato dell’arte dei convertitori temporali che, per la maggior parte, sono realizzati a componenti discreti. Partendo da un convertitore a singolo canale precedentemente realizzato [1] se ne miglioreranno le prestazioni individuali e si correggerà un errore trovato in fase di misura del chip. Successivamente, si utilizzerà questo nuovo TAC per implementare una struttura multicanale configurabile che non solo permetta l’uso indipendente di ogni canale di conversione, ma che dia anche la possibilità di aumentare la velocità di conversione e migliorare la precisione del singolo canale. Questa struttura è denominata FTAC e concede la massima libertà di scelta all’utente finale cosicché sia lui a poter decidere quale sia il trade-off fra velocità e precisione più adatto alle sue specifiche. La nuova struttura FTAC raggiunge una frequenza di conversione di 80MHz e permette di ottenere una precisione massima di 1.4ps FWHM con una DNL <1%, in un chip di area pari a 6.58mm2.