Progetto ed analisi sperimentale di preamplificatori di carica CMOS a minimo rumore e reset impulsato per rivelatori di raggi X

L’attività della presente tesi è incentrata sullo studio di circuiti elettronici di front-end per la lettura di segnali provenienti da fotorivelatori a stato solido per applicazioni spaziali (analisi spettroscopica della radiazione proveniente dall’universo) e mediche (trattamenti radioterapici, dosimetria, imaging ad alta risoluzione dei tessuti). Il lavoro è partito da analisi teoriche e sperimentali svolte in tesi precedenti aventi come oggetto prototipi di preamplificatori di carica (CPA) con architettura cascode, stato dell’arte a livello internazionale per integrati CMOS per quanto concerne il rumore elettronico (3 elettroni r.m.s). La principale finalità è il progetto di versioni che mantengano o, ove possibile, migliorino le prestazioni dei prototipi eliminandone la scarsa praticità di utilizzo che li contraddistingue attraverso una spinta ingegnerizzazione dei circuiti. La tesi è organizzata in cinque capitoli, il cui contenuto è sinteticamente indicato di seguito. Il primo capitolo presenta il modello elettrico del CPA e ne giustifica il largo impiego per il read-out di fotorivelatori. Vengono messe a confronto le modalità continua ed impulsata per il reset della capacità d’integrazione. Si introduce il concetto di carica equivalente di rumore. Nel secondo capitolo si descrivono le caratteristiche dei prototipi e si valutano sperimentalmente le performance di rumore per due di essi. Si rivolge molta cura all’allestimento delle misure, le condizioni operative sono attentamente registrate ed i dati ottenuti vengono ampiamente commentati. Il terzo capitolo illustra la progettazione dei nuovi preamplificatori, con i dettagli delle modifiche apportate rispetto ai prototipi, sia a livello circuitale che di layout; si motivano le ragioni che portano a compiere determinate scelte di design e si rivolge particolare attenzione al loro impatto sulle performance di rumore ottenibili. Nel quarto capitolo viene illustrata la disciplina scientifica della microdosimetria, applicazione in cui sono molti i vantaggi derivanti dall’impiego di ASIC. Si descrivono microdosimetri a stato solido innovativi. Si presenta il progetto di un CPA multicanale per l’acquisizione di segnali provenienti dai suddetti sensori. Il quinto capitolo espone il progetto di due circuiti ancillari per gli ASIC: un line-driver con ingresso ed uscita rail-to-rail per il pilotaggio di carichi capacitivi fino a 150 pF ed un amplificatore a guadagno selezionabile digitalmente e basso consumo di potenza (< 200 uW).