Σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος

Abstract

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. 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. 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. 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.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στην μελέτη και στον σχεδιασμό ολοκληρωμένων CMOS κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος για ανιχνευτές στέρεας 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 επίδοσή 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.