The main target of this work is the development of a fully integrated routing system for SPAD matrix, involved in time correlated single photon counting techniques. This project provides the routing of 64 sensor signals towards 8 time converter blocks. The architecture is modular, in order to make feasible future applications of this IC in systems with a larger number of channels. This kind of structure is an absolute innovation. It allows keeping constant the data ow compared to systems with one time converter for each channel, giving also the possibility of using more performing converter blocks with better timing resolution. In this work has been developed a dedicated routing logic that gives all sensors a constant reading probability, avoiding that the ones with lower acquisition rates would be hide by others with higher activity. Moreover this structure links all SPADs to each converter, maximizing the throughput e ciency. The IC has been designed minimizing the timing jitter introduced during the routing and the crosstalk between di erent channels. The result of this thesis is a system which operates the complete routing of the signals every 12.5ns. The timing jitter added on the channels is lower than 25ps, avoiding a considerable timing resolution deterioration even in the best state of art multichannel systems. The simulated crosstalk between channels produces, almost ever, timing di erences under 10ps. Moreover the reading frequencies let sensors work next to their maximum acquisition rate. The obtained results show very interesting possibilities to introduce this IC in future applications for TCSPS modules with very high number of channels and timing resolutions in the order of tens picoseconds, overcoming state- of- art systems performances.
Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo di un sistema di routing completamente integrato per matrici di fotorivelatori SPAD, impiegate in misure di time correlated single photon counting. Il progetto prevede l'instradamento dei segnali provenienti da 64 sensori, verso 8 blocchi di conversione temporale; l'architettura presenta una forma modulare che rende possibile una futura applicazione del chip in sistemi a maggior numero di canali. Questo tipo di struttura rappresenta un'innovazione in senso assoluto; essa permette di mantenere lo stesso usso di dati rispetto a sistemi che presentino un blocco di misura per ogni canale, permettendo nel contempo, grazie alla possibilità di usare convertitori più performanti, una migliore risoluzione temporale. In questo lavoro è stata sviluppata un'apposita logica di instradamento che permette a tutti i sensori una eguale probabilità di lettura, evitando che quelli con minor frequenza di acquisizione vengano nascosti da altri attivi con un maggior rate. Inoltre la struttura realizzata prevede la possibilità di instradare ogni segnale verso ciascun convertitore, massimizzando così l'e cienza nella produzione del usso di dati. In ne è stato fatto in modo che l'instradamento dei segnali avvenisse limitando il jitter temporale introdotto e il crosstalk tra i vari canali. Il risultato di questa tesi è un sistema in grado di operare il routing selettivo dei segnali ogni 12.5ns. Il jitter temporale introdotto sui canali è minore di 25ps, che permette di non in ciare in maniera sensibile le risoluzioni anche dei migliori sistemi di misura multicanale ad oggi realizzati. Il crosstalk simulato, nella grande maggioranza dei casi, produce distorsioni temporali minori di 10ps. Inoltre le frequenze di lettura dei sensori permettono agli SPAD di lavorare vicini ai loro massimi rate di acquisizione. I risultati ottenuti rendono l'integrato proposto di grande interesse per la futura implementazione di moduli per misure di TCSPC a grande numero di canali e con risoluzioni nell'ordine di poche decine di picosecondi, superando le attuali prestazioni dei sistemi allo stato dell'arte.
Progettazione di elettronica integrata di lettura e routing per matrici di fotorivelatori SPAD
FREDDI, MARCO;TARELLI, RICCARDO
2011/2012
Abstract
The main target of this work is the development of a fully integrated routing system for SPAD matrix, involved in time correlated single photon counting techniques. This project provides the routing of 64 sensor signals towards 8 time converter blocks. The architecture is modular, in order to make feasible future applications of this IC in systems with a larger number of channels. This kind of structure is an absolute innovation. It allows keeping constant the data ow compared to systems with one time converter for each channel, giving also the possibility of using more performing converter blocks with better timing resolution. In this work has been developed a dedicated routing logic that gives all sensors a constant reading probability, avoiding that the ones with lower acquisition rates would be hide by others with higher activity. Moreover this structure links all SPADs to each converter, maximizing the throughput e ciency. The IC has been designed minimizing the timing jitter introduced during the routing and the crosstalk between di erent channels. The result of this thesis is a system which operates the complete routing of the signals every 12.5ns. The timing jitter added on the channels is lower than 25ps, avoiding a considerable timing resolution deterioration even in the best state of art multichannel systems. The simulated crosstalk between channels produces, almost ever, timing di erences under 10ps. Moreover the reading frequencies let sensors work next to their maximum acquisition rate. The obtained results show very interesting possibilities to introduce this IC in future applications for TCSPS modules with very high number of channels and timing resolutions in the order of tens picoseconds, overcoming state- of- art systems performances.File | Dimensione | Formato | |
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