The microchannel plate readout asic (MIRA) : design of the charge sharing correction logic and digital readout in 65nm CMOS technology

The thesis reports the design of the MIRA (MIcrochannel plate Readout Asic) ASIC, featuring low-noise and high spatial resolution, realized within the PLUS project. The PLUS (PLanetary extreme Ultraviolet Spectrometer) project aims at developing a UV spectrometer in the 55-200nm range leveraging a dual channel (VUV/EUV) architecture and high-efficiency optical components individually optimized for each channel. Within this context, the first version of the MIRA ASIC for MicroChannel Plate (MCP) readout has been designed featuring a compact pixel size (35μm×35μm) for a total of 32×32 pixels. A low-noise analog circuit is fundamental to use the MCP detector with low gain, with significant advantages in dynamic range and lifetime in spatial missions. To cope with a high spatial resolution spectrometer, it is fundamental that the MIRA ASIC should be designed with a pixel size as small as possible. This led to the design of an analog charge reconstruction circuit combined with a digital charge sharing correction logic to correct the charge sharing effect and to obtain a spatial resolution limited to the pixel size. Moreover, a high count rate capability is also required. In the end, to not lose any of the incoming events, a serial readout of the chip is done with a zero-dead time operation. In Chapter 1, an introduction to UV radiation and corresponding detector categories are provided. The PLUS project is then presented. Morever, a well known chip architecture for the MCP readout is described. In the end, the overall MIRA ASIC architecture is introduced, highlighting the working principle of both the analog and the digital side of the pixel. In Chapter 2, a general description of the analog blocks that constitutes the analog chain of the pixel is provided. As a consequence, the charge sensitive amplifier (CSA), the charge reconstruction circuit (Filter stage) and the current discriminator are presented. In Chapter 3, the charge sharing effect is introduced and, thus, the charge sharing correction logic is presented. Then, the fundamental block of the charge sharing correction logic, the MUTEXes, is described. At this point, the three working modalities of the charge sharing correction logic are described. Moreover, some simulations are provided to validate the charge sharing correction logic working principle. In the end, imaging simulations characterizing the spatial resolution for each modality are shown. In Chapter 4, a detailed description of the digital Readout stage of the ASIC is provided. Firstly, the counters of the pixel are shown. Then, the End of Column Logic (EoC), needed for the readout of the entire 32×32 pixel matrix, is described. Moreover, the Configuration and the Acquisition phases of the chip are described and simulated. In the end, the communication between the PC, the Microcontroller and the ASIC is shown with some experimental results. In Chapter 5, the conclusions of the work done in the thesis are summarised. At the end of the design, it has been possible to guarantee that the MIRA ASIC features low noise, high spatial resolution and high count rate capability. In particular, it shows an ENC=17e−, a 35μm spatial resolution (limited to the pixel size) and a maximum count rate capability of 100 kcounts/pixel/s.

La tesi riporta il design del MIRA (MIcrochannel plate Readout Asic) ASIC, a basso rumore e con risoluzione spaziale elevata, realizzato nell’ambito del progetto PLUS. Il progetto PLUS (PLanetary extreme Ultraviolet Spectrometer) ha lo scopo di realizzare uno spettrometro UV, con range di funzionamento 55-200nm, che sfrutti un’architettura a doppio canale (VUV/EUV) e dei componenti ottici ad alta efficienza ottimizzati individualmente per ciascun canale. In questo contesto, la prima versione del MIRA ASIC per il readout di rivelatori MicroChannel Plate (MCP) è stata progettata con una dimensione compatta dei pixel (35μm×35μm) per un totale di 32×32 pixel. Un circuito analogico a basso rumore è fondamentale per poter operare con rivelatori MCP a basso guadagno, con significativi vantaggi in termini di dinamica e durata di vita del rivelatore in missioni spaziali. Per riuscire a realizzare uno spettrometro con una risoluzione spaziale elevata, è fondamentale che il MIRA ASIC sia costituito da pixel che siano i più piccoli possibili. Questo ha portato alla progettazione di un circuito analogico che permetta la ricostruzione della carica insieme ad una logica digitale di correzione della distribuzione di carica per riuscire ad eliminare l’effetto della distribuzione di carica e per ottenere una risoluzione spaziale limitata alla dimensione del pixel. Inoltre, è richiesta anche una capacità di conteggio elevata. Infine, per evitare di perdere eventi, il chip viene letto in maniera seriale tramite un’operazione a zero dead-time. Nel Capitolo 1 viene fornita un’introduzione sulle radiazioni UV e le corrispondenti categorie di rivelatori. Viene poi presentato il progetto PLUS e viene inoltre descritta una nota architettura di readout per MCP. Infine, l’architettura generale del MIRA ASIC è introdotta, evidenziando il principio di funzionamento sia della parte analogica che di quella digitale presenti nel pixel. Nel Capitolo 2 viene fornita una descrizione generale dei vari blocchi che costituiscono la parte analogica del pixel. Viene presentato di conseguenza l’amplificatore di carica (CSA), lo stadio di ricostruzione della carica (Filter stage) e il discriminatore. Nel Capitolo 3 viene introdotto il problema della distribuzione di carica tra diversi pixel ("charge sharing") e quindi viene presentata la logica di correzione della distribuzione di carica. Vengono poi descritti i MUTEX ossia gli elementi fondamentali su cui si basa la logica di correzione. Vengono a questo punto descritte e presentate le tre modalità di lavoro della logica di correzione della distribuzione di carica con simulazioni che ne validano il funzionamento. Infine, sono mostrate delle simulazioni di immagini che permettono di caratterizzare la risoluzione spaziale per ogni modalità di funzionamento. Nel Capitolo 4 viene fornita una descrizione dettagliata dello stadio di Readout digitale dell’ASIC. Per primo vengono presentati i contatori dei pixel. Viene poi descritta la End of Column Logic (EoC) necessaria per effettuare la lettura della matrice 32×32 di pixel. Vengono poi descritte e simulate le fasi di configurazione e acquisizione del chip. Infine, la comunicazione tra PC, Microcontrollore e ASIC viene illustrata con alcuni risultati sperimentali. Nel Capitolo 5 vengono riportate le considerazioni finali sul lavoro svolto in questa tesi. A design concluso, è stato possibile garantire che il MIRA ASIC abbia un basso rumore, una risoluzione spaziale elevata e un’elevata capacità di conteggio. In particolare, è caratterizzato da un ENC=17e−, da una risoluzione spaziale di 35μm (limitata alla dimensione del pixel) e da una capacità di conteggio di 100 kcounts/pixel/s.