Studio e progetto di un front end a basso rumore per la lettura in corrente di fotorivelatori CCD

I dispositivi CCD sono fotorivelatori estremamente ben consolidati ed ampiamente diffusi in varie applicazioni grazie alle loro ottime caratteristiche di linearità, sensibilità, range dinamico, basso rumore termico ed elevata efficienza quantica. Il principale svantaggio è il basso frame rate, dovuto al meccanismo di trasferimento seriale della carica ed alla modalità di lettura a source follower tipicamente impiegata. Adottando come riferimento le prestazioni di velocità e rumore di un dispositivo CCD sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) e del relativo front-end di lettura, in questo lavoro di tesi è stato progettato un nuovo circuito indirizzato ad aumentare il massimo frame rate ottenibile mantenendo ottime prestazioni di rumore. Il sistema sviluppato a Berkeley presenta un ENC di circa 12h+ a 200fps. L’innovazione del nuovo ASIC, denominato MARC (Millisecond Asic for the Readout of CCDs), consiste nell’implementare una lettura in corrente del segnale fornito dallo stadio di uscita, superando i limiti intrinseci della più comune lettura a source follower relativi al settling dei nodi capacitivi. Mediante la tecnica switched current la funzione peso implementata è trapezoidale, prossima all’ottimo teorico per bassi tempi di processamento. Il filtro è costituito da un ramo di programmazione della corrente del detector e dalla cascata di uno stadio integratore e uno stadio sottrattore. Esso integra inoltre un blocco di riferimenti PTAT e CTAT ed un sequencer digitale che genera i segnali di comando degli switch. Le simulazioni, condotte con il software Cadence Virtuoso mostrano una linearità ottima con un errore contenuto entro lo 0,03%. La funzione peso risulta pressoché ideale e l’ENC complessivo risulta pari a 4h+ a 200pfs e 11,5h+ a 400fps. L’ASIC MARC è quindi potenzialmente in grado di garantire prestazioni di rumore e frame rate tra le migliori attualmente disponibili per il readout di dispositivi CCD, quali quello sviluppato presso il LBNL. Il contributo di rumore elettronico è comunque non trascurabile rispetto a quello del detector soprattutto a bassi frame rate. Pertanto resta aperta la strada per ulteriori future migliorie del filtro.