Progetto e realizzazione di un sistema di acquisizione compatto a 32 canali per applicazioni TCSPC ad alte prestazioni

This thesis work is part of the project of a complete acquisition system with high number of channels for Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) applications. In particular, our work was the design and the realization of a 32-channel acquisition board able to overtake the actual trade-off between parallelism level and performance. Indeed, state-of-art systems have either high performance, like the Becker&Hickl SPC-154 (4 channels, 6,6 ps FWHM resolution and DNL<1% peak-to-peak), or a high number of channels, like those made inside the Megaframe project (1024 channels, 600 ps FWHM resolution and DNL<70% peak-to-peak). Instead, we want a system able to manage 1024 sensors, organized in a 32 × 32 matrix. The realization of an acquisition system with such a high number of parallel channels, each with the Becker&Hickl performance, is out of question, because the resulting data throughput would be extremely high to be managed. For this reason, the number of acquisition channels has been reduced to 64, inserting a router to forward all of the signals coming from the matrix to them. Two 32-channel acquisition boards will be the elaboration core of the system. This board has been designed to overtake the trade-off, which means it has DNL not exceeding few percents of LSB, a resolution in the order of tens of picoseconds and a count rate of several megahertz for each channel. Moreover its dimensions has been kept compact in order to easily insert the system in an experimental setup. As a TCSPC instrument, the core of our board is the block capable to measure a time interval. To get high performance, the TAC-ADC structure has been chosen among those presented in literature, since it provides the lowest differential non linearity meanwhile keeping high both count rate and resolution. We implemented also the dithering technique to kill the unavoidable DNL worsening due to the ADC.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto di un sistema completo di acquisizione per applicazioni di Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) ad alto numero di canali. In particolare, il nostro lavoro è stato il progetto e la realizzazione di una scheda di acquisizione a 32 canali che sia in grado di superare l’attuale trade-off fra grado di parallelismo e prestazioni. Infatti, i sistemi allo stato dell’arte o offrono alte prestazioni, come il Becker&Hickl SPC-154 (4 canali, risoluzione 6,6 ps FWHM e DNL<1% piccopicco), oppure alto numero di canali, come quelli realizzati all’interno del progetto Megaframe (1024 canali, risoluzione 600 ps FWHM e DNL< 70% picco-picco). Il nostro sistema invece è pensato per utilizzare 1024 sensori, organizzati in una matrice 32 × 32. Realizzare un tale numero di canali paralleli di acquisizione senza degradare le prestazioni è impensabile perché il throughput di dati sarebbe ingestibile. Per questo motivo si è scelto di ridurre il numero di canali a 64 ed utilizzare un router per instradare su questi tutti i segnali provenienti dai rivelatori. Due delle nostre schede a 32 canali saranno quindi il nucleo di elaborazione del sistema completo. Per superare il trade-off, questa scheda è stata pensata per avere quindi delle prestazioni confrontabili con quelle dei sistemi a singolo canale allo stato dell’arte. Ciò significa che deve avere una DNL contenuta entro pochi punti percentuale di LSB, una risoluzione temporale dell’ordine della decina di picosecondi ed un count rate di diversi megahertz a canale. Inoltre le sue dimensioni sono state mantenute compatte al fine di poter inserire agevolmente il sistema all’interno di un setup di misura. Poiché la scheda è pensata per applicazioni di TCSPC, il suo cuore è il blocco capace di misurare un intervallo temporale. Al fine di ottenere alte prestazioni, fra le strutture presenti in letteratura è stata scelta quella TAC-ADC, che garantisce la minore non linearità differenziale, oltre a mantenere alti count rate e risoluzione. Poiché l’ADC degrada però inevitabilmente la DNL del sistema, è stata implementata la tecnica del dithering che la riporta ai livelli dello stato dell’arte.