Σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος
Creators: name: Νούλης, Θωμάς Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα,
Σχεδιασμός χαμηλού θορύβου, Ανιχνευτές/αισθητήρες ακτινοβολίας,
Συστήματα επεξεργασίας σήματος ακτινοβολίας,
CMOS,
Αnalog IC design,
Low noise,
Radiation detection,
Readout front ends

description: Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στην μελέτη και στον σχεδιασμό ολοκληρωμένων CMOS κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος για ανιχνευτές στερεάς κατάστασης και γενικότερα εφαρμογές διασύνδεσης αισθητηρίων. Στα πλαίσια αυτής της ερευνητικής εργασίας προτάθηκε συγκεκριμένη μεθοδολογία σχεδιασμού και κατασκευάσθηκαν δύο πρωτότυπα CMOS κυκλώματα ανάγνωσης ακτινοβολίας και ένα ολοκληρωμένο κανάλι αναλογικής επεξεργασίας σήματος ανιχνευτή. Οι επιδόσεις αυτών των δομών συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες αρχιτεκτονικές της βιβλιογραφίας και η βελτιωμένη επίδοση τους πιστοποιείται με πειραματικές μετρήσεις. Επιπρόσθετα, προτάθηκε ένας εναλλακτικός τρόπος σχεδιασμού της βαθμίδας προενίσχυσης με τελείως διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με την κλασσική δομή ως προς την απόδοση θορύβου του και διερευνήθηκε η SiGe BiCMOS τεχνολογία σε σχέση με την απόδοση θορύβου προενισχυτή και την χωρητικότητα του ανιχνευτή. Τέλος, στα πλαίσια της βελτιστοποίησης σχεδιασμού αυτών των τοπολογιών μελετήθηκε το μοντέλο προσομοίωσης του MOSFET κυρίως ως προς την αξιοπιστία του στην προσομοίωση θορύβου. Ειδικότερα, μελετήθηκε και σχεδιάστηκε το κανάλι αναλογικής επεξεργασίας του σήματος του αισθητήρα. Μία συνοπτική εισαγωγή στα συστήματα ανάγνωσης ακτινοβολίας, στις αντίστοιχες εφαρμογές τους και στις παραμέτρους σχεδιασμού και επίδοσης τους δίνονται στο 1ο κεφάλαιο. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης, διερευνήθηκε εκτενώς το έως πρότινος βιομηχανικό MOSFET μοντέλο προσομοίωσης (BSIM3V3), σε σχέση με ασυνέχειες και προβλήματα αξιοπιστίας, και ένα μέρος της μελέτης αυτής (σε σχέση με την εφαρμογή) που αφορά στα μοντέλα προσομοίωσης1/f θορύβου, παρατίθεται στο 2ο κεφάλαιο της διατριβής. Στο 3ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται αναλυτικά οι βαθμίδες ενός συστήματος ανάγνωσης ακτινοβολίας (ο προενισχυτής και το φίλτρο μορφοποίησης) και αναλύεται η μεθοδολογία βελτιστοποίησης θορύβου τους και στο 4ο και 5ο κεφάλαιο της διατριβής παρατίθεται ο σχεδιασμός διαφορετικών δομών προενισχυτή και φίλτρων μορφοποίησης όπου οι επιδόσεις τους μελετούνται με προσομοιώσεις. Στο 6ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση πρωτότυπων κυκλωμάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας, και οι επιδόσεις τους πιστοποιούνται με αποτέλεσμα προσομοιώσεων και πειραματικές μετρήσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τρεις CMOS τοπολογίες• μία αρχιτεκτονική προενισχυτή, ένα φίλτρο μορφοποίησης σήματος και ένα ολοκληρωμένο αναλογικό κανάλι επεξεργασίας σήματος ακτινοβολίας. Μία εναλλακτική μεθοδολογία σχεδιασμού της βαθμίδας προενίσχυσης και μία αντίστοιχη αρχιτεκτονική προενισχυτή προτείνεται στο κεφάλαιο 7. Οι επιδόσεις της αρχιτεκτονικής αυτής πιστοποιούνται με πειραματικές μετρήσεις. Επιπλέον, στο 7ο κεφάλαιο, παρατίθεται μία διερεύνηση της SiGe BiCMOS τεχνολογίας ως προς την καταλληλότητα της στην υλοποίηση ολοκληρωμένων συστημάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας, σε σχέση με τον συνολικό θόρυβο της βαθμίδας προενίσχυσης και την χωρητικότητα του ανιχνευτή. Τέλος, τα συμπεράσματα αυτής της διατριβής παρουσιάζονται στο τελευταίο κεφάλαιο όπου και προτείνονται πιθανά θέματα μελλοντικής ερευνάς
description: This work deals with analogue integrated circuit design for detector readout front end applications. These circuits are analysed and realised using modern CMOS integration technologies and critical performance parameters are discussed in detail. Based on the MOSFET noise theory and using optimization methodology, a low noise – low voltage preamplifier was presented. Specifically, a CMOS CSA was designed and fabricated in a 0.35 μm process by AMS in order to be used for an X ray radiation detection application. Concerning the total measured characteristics of the fabricated charge sensitive amplifier, the proposed design provides performance fully compatible in relation to the application specifications. Drawback of the specific implementation can be characterized the relatively high equivalent noise charge (enc) slope in relation to the detector capacitance variation. In addition, a novel approach of a shaping architecture was suggested using transconductance circuits and an alternative design methodology. The proposed topology provides a continuously adjustable operating bandwidth and although it operates in the low frequency region, is fully integrable. The specific design appears to be greatly flexible since its variable bandwidth provides externally modifiable output noise and pulse peaking time. The above capability in relation to its low power consumption and the satisfactory output noise and dynamic range indicate it as an optimum selection for a variety of readout applications. Additionally, a novel front end ASIC for radiation detection was proposed. The CSA – shaper analog processor is characterized by low power and low noise performance compatible with the stringent requirements of high resolution nuclear spectroscopy. Another great advantage of the specific topology is its flexibility since it provides programmable gain, adjustable undershoot and variable peaking time. BSIM3V3 MOSFET noise models have been described and analytically compared using simulations to 1/f noise measurements. Direct comparison was performed between CMOS transistors output 1/f noise spectral density and respective simulations, in all operating regions, and in the entire 1/f noise dominance frequency bandwidth. Conclusions about the above flicker noise models accuracy are extracted and model selection criteria in order to achieve a correct description of flicker noise phenomenon in MOS transistors are suggested. The PhD thesis is organized as follows. In the first Chapter a brief introduction on readout front ends is performed and the performance parameters are presented in relation to the related applications. In Chapter 2 the MOSFET modelling is studied and inaccuracy problems are addressed, concerning the estimation accuracy of BSIM3V3 MOSFET model focusing on the low frequency noise simulation. In Chapter 3, the design of a readout system is analyzed and noise optimization methodology is presented. In Chapter 4 and 5, extended analysis of the preamplifier circuit and the semi-Gaussian shaping filter is performed and critical design considerations are addressed. Simulation based work is presented and selection criteria are proposed. A time domain mathematic analysis is also presented regarding the peaking time specification. In Chapter 6, a Charge Sensitive Amplifier (CSA) topology and a novel shaping architecture, based on operational transconductance amplifiers are proposed using particular design techniques. In addition, a full analog readout ASIC implementation, fabricated in 0.35 μm CMOS process by Austria Mikro Systeme is proposed and respective prototype measurements results are presented. Chapter 7 contains an alternative CSA architecture providing noise performance independent to the detector capacitance variation and easily achievable gain performance – respective design methodology is proposed. Furthermore, a comparison of four folded cascode preamplifier topologies is presented, in order to find out the preferred topology in terms of noise performance, respecting to the technology and design specifications - CMOS 0.35um and SiGe BiCMOS 0.35um were used. Simulation results demonstrate the superiority of the MOS transistor as input device for small or medium size of detector capacitance , while the BJT transistor could be a good candidate in case of large detector capacitance. The conclusions of the PhD thesis are presented in the final Chapter together with future research work