8 channel asic with autobalanced detection for shot noise limited broadband raman spectroscopy

The principal objective of this thesis is the design of an 8-channel integrated circuit specifically developed to acquire optical signals for Broadband Raman Spectroscopy. This work is developed as part of the CRIMSON project, a European project headed by prof. Dario Polli in the Physics Department of Politecnico di Milano. The circuit is based on the previous work of a 4-channel integrated circuit for Broadband Raman Spectroscopy operating in a smaller optical power range. The aim of this project is to acquire images at almost Video Rate frequency of biological samples, where the Raman spectrum of observed molecules is associated at each pixel. The goal is to build a microscope to observe and characterize organic compounds in real time. A broadband laser beam, containing the Raman information over a wide spectrum, is spatially diffused over two photodiode arrays, so that each wavelength of the spectrum can be separately detected by a specific element of the array. The developed integrated circuit reads the current signal coming from the photodiode array and extract the small Raman signal. The IC includes 8 channels and every reading channel comprises two low noise preamplifier, two finely adjustable variable gain amplifier, a differential subtractor and a passive mixer. The architecture of a single channel implements a differential Lock-In amplifier with auto-balancing to reject the noise due to the laser power fluctuations, the dominant noise of the optical setup. The thesis also describes in detail the new configuration of the low noise amplifier and the differential subtractor, putting emphasis on the new features that extend the experimental possibility compared to previous work. The improvements made to the circuit include a reduction in electronic noise to decrease it within the more stringent constraints of shot noise caused by a reduction in minimum input optical power, an increase in the preamplifier and subtractor gains to better amplify the signal, and an enhance in the internal combinational logic to obtain a circuit more flexible. Finally, the thesis covers the implementation of the chip layout on silicon and all the aspects of the complete chip.

Obiettivo principale di questa tesi è la progettazione di un circuito integrato multicanale, costruito per acquisire un segnale ottico per Spettroscopia Raman ad ampio spettro. Questo lavoro viene sviluppato come parte del progetto CRIMSON, un progetto europeo coordinato dal prof. Dario Polli del dipartimento di fisica del Politecnico di Milano e basato su un lavoro precedente che consiste nello sviluppo di un circuito integrato a 4 canali per Spettroscopia Raman. Scopo del progetto è acquisire immagini con frequenza vicina al video Rate in cui ad ogni pixel sia associato lo spettro Raman del campione in quel punto, così da ottenere un microscopio in grado di fornire l’informazione chimica e funzionale oltre che strutturale dei materiali analizzati. Un raggio laser ad ampio spettro, contenente informazioni Raman a diverse lunghezze d'onda, viene diffuso su due array di fotodiodi, cosicchè ogni lunghezza d'onda può essere acquisita da un elemento specifico dell'array e poi il circuito integrato legge e amplifica il segnale di corrente convertito dall'array di fotodiodi. Il circuito integrato include 8 canali e ogni canale è composto da un preamplificatore a basso rumore, un amplificatore a guadagno variabile, un sottratore differenziale e un mixer. L'architettura di un singolo canale implementa un amlificatore Lock-In differenziale con autobilanciamento per cancellare il rumore del laser, che è il contributo dominante di rumore di tale setup ottico. La tesi descrive inoltre in dettaglio la nuova configurazione del preamplificatore e del sottrattore differenziale, sottolinenando le nuove caratteristiche che migliorano i vincoli sperimentali richiesti rispetto al lavoro precedente. I miglioramenti portati al circuito con la modifica di tali blocchi circuitali sono stati: una diminuzione del rumore elettronico in modo da stare dentro i vincoli più stringenti di shot noise dovuti ad una dimunuzione della potenza ottica minima rilevabile in ingresso, un aumento dei guadagni del preamplificatore e del sottrattore per amplificare meglio il segnale e un aumento della logica combinatoria interna per ottenere un circuito più flessibile. Infine la tesi copre implementazione del layout del chip su silicio e tutti gli aspetti del sistema completo.