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Publié parAnne-Claire Paquette Modifié depuis plus de 8 années
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Chaîne d'électronique intégrée de lecture à très bas bruit du diffuseur de la caméra Compton en Hadronthérapie Mokrane DAHOUMANE Journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille.
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille2 Plan Introduction : contexte physique Caméra Compton pour l’hadronthérapie Contraintes imposées Electronique de lecture des siliciums de la caméra Compton ASIC version1 : rappel Sources de bruit dominant ASIC version finale : Contexte de fonctionnement Architecture et composition d’une voie de lecture Préamplificateur de charge à reset discret (par switch) Tests et caractérisation (résultats préliminaires) Conclusions et travail futur
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille3 Electronique de lecture des siliciums de la caméra Compton En hadronthérapie : les γ prompts peuvent être utilisés pour le contrôle de dose en ligne La caméra Compton est une technique très efficace et rapide pour le contrôle en ligne de dose et la reconstruction d’image 3D en haute résolution Dans le système proposé : le diffuseur (scatterer detector) est composé de 10 plans de détecteurs micro-ruban de silicium (Double-Sided Silicon Strip Detectors : DSSD) de 2 mm d’épaisseur Il fournit les coordonnées spatiales et temporelles (x, y, z, t) et l’énergie (E) déposée durant l’interaction des rayons γ Online monitoring system Chaque piste du DSSD sera couplée à une chaîne d’électronique de lecture intégrée aux spécifications suivantes : 3 zz Si AFEE DSP DSP: Digital Signal Processing AFEE: Analog Front End Electronics …x10 32 voies
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille4 Spécifications : Système Multivoies : détecteur double face (64 pistes P x 64 pistes N) Large dynamique (1000) : de 0,48 fC (3 ke - ) à 480 fC (3000 ke - ) Nécessité de lire les deux polarités (faces N et P du DSSD) Taux de comptage : 10 5 hits/s Bruit : ENC = 120 électrons rms (1 keV FWHM) Shaping Time (slow) = 1 µs pour la mesure d’énergie Shaping Time (fast) =15 ns pour l’étiquetage en temps Capacité détecteur considérée dans cette étude : Cd = 10 pF / piste Spécifications de l’ASIC Système switché (Méthode critique)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille5 Architecture de la version1 de l’ASIC Photo of a micro-Strip Silicon Detector double sided mounted on ceramic plates Baby detector Photography Un prototype a été Fabriqué en technologie CMOS 0,35 µm d’AMS Nombre de voies : 8 Surface totale: 2871×1881 μm 2 avec les plots d’E/S
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille6 Résultats de test de la version 1 de l’ASIC Energy spectrum of 133 Ba obtained by : Discrete electronics (8 p-strips together) ASIC (1 n strips) Référénce : M.Dahoumane et al : ” A Low Noise and High Dynamic Charge Sensitive Amplifier-Shaper associated with Silicon Strip Detector for Compton Camera in hadrontherapy”. 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS/MIC)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille7 S (w) est une densité spectrale du bruit (I G est le courant de fuite du détecteur Cd Cf CSA Vs Rf Bruit en série Bruit parallèle Bruit après le shaping : Remarque : Le shaping time, Cd et Rf (imposé par le taux de comptage) sont des paramètres clé pour déterminer la dominance en bruit (parallèle ou série) Le bruit du shaper peut être gênant dans le cas du faible gain du shaper : Bruit de grille en haute fréquence des transistors de l’amplificateur utilisé, Préamplificateur de charge (CSA) : sources de bruit dominant 7
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille8 Contexte de fonctionnement de l’ASIC 2 N-strip bias and ac couplingP-strip bias and ac coupling 64 P strips 64 N strips Utilisation d’un plus grand détecteur silicium monté sur PBC à l’IPNL Dimensions : 90×90×2 mm 3 Tension de polarisation des pistes des détecteurs : -750 V
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille9 Schéma synoptique d’une voie complète de lecture de l’ASIC 2 Time Energy DSSD Vth Control logic : PWM & Delay Comparator N & P polarity Switched Reset CSA Shaper or CSA 5 bit DAC Tuned Event or external Reset Vth output MUX Delay and pulse width control I2C interface 3 bit gain control 5 bit DAC level control e/h select cmd Select cmd Slow shaper Fast shaper
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille10 CSA Cf Rf - + Vref C2 R2 R1 C1 In OTA CSA Reset en continu avec une résistance : configuration électron Shaping Décharge en exponentiel avec un taux=Rf*Cf Supprimer le bruit // Dans la version 1 : 75% du bruit provenait de la résistance Rf de Reset du CSA Supprimer Rf et la remplacer par un switch CMOS
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille11 CSA Cf - + Vref C2 R2 R1 C1 Shaping In OTA RAZ RAZ’ CSA -Qinj/Cf RAZ : trigger externe ou évènement dans le silicium (comparateur) Reset avec un switch CMOS : configuration électron Décharge avec un switch MOS T = 1µs RAZ’ RAZ Tpa = 30ns
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille12 RAZ CSA - +Vref_h C R R CSlow Shaper T = 1µs Tpa = 30ns In Vref_e Cf 12 RAZ’ Reset avec un switch CMOS : configuration trou Input M1 Large NMOS transistor h DC level shift diode RAZ’ RAZ Dans le cas du mode de fonctionnement trou Décalage du niveau DC du CSA La configuration présentée ici a été retenue et implémentée dans le circuit. Trois autres configurations ont été étudiées mais non implémentées
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille13 RAZ RAZ’ CSA - +Vref_h C R R CSlow Shaper T = 1µs Tpa = 30ns In Vref_e Cf 13 Décalage du niveau DC (2) Rejetée
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille14 RAZ CSA - +Vref_h C R R CSlow Shaper T = 1µs Tpa = 30ns In Vref_e Cf Input M1 Large NMOS transistor h 14 RAZ’ Rejetée Décalage du niveau DC (3)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille15 RAZ RAZ’ - +Vref_h C R R CSlow Shaper T = 1µs Tpa = 30ns In Vref_e - + Vref_h Cf OTA Vref_e 15 Rejetée Décalage du niveau DC (4)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille16 Qin : charge injectée en entrée q : charge élémentaire Vrms : bruit en sortie (intégrale de 1 Hz à 100 GHz) Bruit en simulation : Et en tests Utilisation d’un amplificateur de gain 100 négliger le bruit du scope et du set-up Architecture du CSA implémentée Un large NMOS input transistor : Minimiser le bruit série (thermique et en 1/f)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille17 Layout de l’ASIC réalisé Photographie du chip Input Transistor layout L’accès grille est un paramètre important en termes de rapidité et du bruit minimiser la résistance de grille : division du transistor d’entrée en une matrice de petits transistors identiques Réalisation du circuit Un prototype a été Fabriqué en technologie 0,35 µm CMOS d’AMS Nombre de voies : 8 Surface totale: 4,5 x 2 mm 2 avec les plots d’E/S 17
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille18 Circuit d’injection de charges Ampli diff 50 Photographie de la carte de test de l’ASIC Set up du test de l’ASIC C inj R 50 C det Fast Pulse Generator - + 18 VEE Bloc alimentations et tensions de références de l ’ASIC
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille19 Caractérisation de l’ASIC et résultats préliminaires 19 Les fonctionnalités de l’ASIC ont été vérifiées et validées Les deux polarités électrons/trous fonctionnent correctement Le réglage fin des paramètres de l’ASIC est possible grâce à l’interface I2C qui a été vérifiée et validée Les mesures et caractérisations fines de toute la chaîne intégrée de lecture sont en cours Difficultés : Câblage des ampli-diff sur la carte PCB de test Sous-traitance du montage et câblage de ces composants (en cours)
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille20 Résultats des tests : fonctionnalité Réponse du circuit à un pulse en tension : sortie CSA Réponse du circuit à un pulse en tension : sortie shaper lent Mode électrons Mode trous Mode électrons Mode trous RAZ : délai et largeur modulables Bloc i2c est piloté par une interface Labview Les trams i2c sont générées via un circuit d’interface (NI USB-8451 OEM I2C/SPI) Les paramètres à contrôler : DAC en tension pour compenser la dispersion des offsets des comparateurs voie par voie Gain du shaper rapide meilleur compromis entre l’efficacité de détection et les perturbations Délai et largeur du reset (sortie du comparateur) compromis temps mort et reset complet du CSA et des deux shapers.
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille21 Conclusions et travail futur Conclusions : Une version finale de l’ASIC a été réalisée : les tests en laboratoire sont en cours. Toutes les fonctionnalités ont été validées. Les résultats préliminaires sont encourageants. Travail futur : Finir les tests et lancer la production de 180 puces supplémentaires pour équiper l’ensemble du diffuseur Réaliser le diffuseur de la caméra Compton dont chaque plan sera composé de : Détecteur DSSD ASICs Ampli diff ADC diff FPGA et électronique numérique. Tester conjointement le DSSD et l’ASIC dans les conditions réelles de la caméra Compton.
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M. DAHOUMANE - journées VLSI - FPGA - PCB de l'IN2P3 2014 @ Marseille22 Merci de votre attention
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