Progetto di due convertitori tempo-ampiezza integrati ad alte prestazioni in tecnologia Si-Ge 0.35um

Nowadays, the technique of Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) is used in many fields, from biology to chemistry, from 3D imaging to communications. This technique allows the analysis of low intensity light signals, and is based on the periodic reproduction of a light event and on the measurement of the arrival time of individual photons within the period. During this thesis, one of the fundamental blocks of the signal acquisition chain was de veloped: the circuit responsible for measuring time intervals of several nanoseconds with a precision of a few picoseconds. The chosen structure is that of a Time-To-Amplitude Converter (TAC), as it allows to reach high linearity and temporal precision performance, two fundamental aspects for a measure of this nature. Also, looking at the latest ap plications, it is important to ensure small size and low power dissipation, to allow the development of advanced multi-channel systems. This thesis is organized as follows: in Chapter 1, an overview of the TCSPC technique is briefly reported; in Chapter 2, the fundamental structure and the main figures of merit of a TAC are described; in Chapter 3, starting from a previously designed converter [16], the changes made to the structure to significantly improve linearity performance are outlined, reaching a DNL < 0.005% of LSB and leaving virtually unchanged all other figures of merit. In Chapter 4, the structure of a new TAC is presented, that is designed to minimize the use of resources in terms of area and power. This converter, with a dissipation of 45mW, achieves a timing precision of less than 4ps FWHM, a DNL < 0.25% of LSB and a conversion frequency over 15MHz, in a chip of area equal to 1mm2. .

Oggigiorno, la tecnica del Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) viene utilizzata in moltissimi ambiti, dalla biologia alla chimica, dall’imaging 3D alle comunicazioni. Questa tecnica consente l’analisi di segnali luminosi a bassa intensità, ed è basata sulla riproduzione periodica di un evento luminoso e sulla misura del tempo di arrivo dei singoli fotoni all’interno del periodo. Durante questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno dei blocchi fondamentali della catena di acquisizione del segnale, ovvero il circuito responsabile della misurazione di intervalli temporali di diversi nanosecondi con una precisione di pochi picosecondi. La struttura scelta è quella di un Time-To-Amplitude Converter (TAC), poichè essa permette di raggiungere elevate prestazioni di linearità e precisione temporale, due aspetti fondamentali per una misura di questa natura. Inoltre, guardando alle più recenti applicazioni, è importante garantire dimensioni contenute e una ridotta potenza dissipata, per consentire lo sviluppo di sistemi avanzati multicanale. Questa tesi è organizzata come segue: nel capitolo 1, verrà brevemente introdotta la tecnica del TCSPC; nel capitolo 2, saranno descritte la struttura fondamentale e le principali figure di merito di un TAC; nel capitolo 3, partendo da un convertitore precedentemente realizzato [16], verranno delineate le modifiche apportate alla struttura per migliorare sensibilmente le prestazioni di linearità, raggiungendo una DNL < 0.005% di LSB e lasciando praticamente inalterate tutte le altre figure di merito. Nel capitolo 4, verrà esposta la struttura di un nuovo TAC, pensato per minimizzare l’impiego di risorse in termini di area e potenza. Tale convertitore, con una dissipazione di 45mW, raggiunge una precisione temporale inferiore ai 4ps FWHM, una DNL < 0.25% di LSB e una frequenza di conversione superiore ai 15MHz, in un chip di area pari a 1mm2. .