Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 1 1 Développement d’un convertisseur de temps hybride avec une résolution de 10 ps et une large dynamique.

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1 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 1 1 Développement d’un convertisseur de temps hybride avec une résolution de 10 ps et une large dynamique de mesure Imane Malass, Wilfried Uhring, Jean-Pierre Le Normand Université de Strasbourg ICube – Equipe SMH

2 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 2 2 2 2 Plan  Introduction  TDC hybride -Principe -Architecture -Simulations -Mesures  Conclusion

3 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 3 3 INTRODUCTION

4 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 4 4 4 4 Convertisseur de temps(TDC) TDC Intervalle de temps : 2 Signaux START et STOP Conversion en mot binaire Applications Applications utilisant la technique du comptage de photon unique résolu en temps (TCSPC) -Mesure du temps de vol -Tomographie par cohérence optique - Mesure de la durée de vie de fluorescence -…

5 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 5 5 5 5 Système TCSPC SPAD Macropixel Convertisseur de temps Macropixels TDCs

6 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 6 6 6 6 Convertisseur de temps(TDC) TDC analogiques – Basé sur un TAC (Time to Amplitude Converter) – Intégration de courants dans des capacités – Bonne résolution temporelle – Dynamique de mesure limitée par l’utilisation des capacités TDC numériques – Lignes à éléments de retard (buffers, bascules) – Bonne dynamique de mesure – Résolution temporelle limitée par le retard unitaire dans la technologie utilisée – Circuit complexe et grande consommation TDC hybride -Architecture combinant les 2 approches numériques et analogiques -Bonne résolution temporelle et large dynamique de mesure

7 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 7 7 TDC HYBRIDE

8 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 8 8 8 8 Principe du TDC hybride

9 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 9 9 9 9 Architecture du TDC hybride Tclk= 2.5 ns

10 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 10 Unité d’échantillonnage de temps Echantillonnage des signaux numériques intermédiaires de la VCDL Quantification de la valeur analogique du ‘0’ numérique dans la cellule où le passage de ‘1’ à ‘0’ a été enregistré => Résolution ultra-fine Transmission des résultats

11 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 11 Analog Sampling Line (ASL) Analog Sampling Line Echantillonnage des signaux intermédiaires de la VCDL

12 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 12 Analog Sampling Line (ASL)

13 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 13 Unité d’échantillonnage de temps Détecteur de front Signaler l’étage dans la ligne d’échantillonnage où il y a eu une transition ‘1’→‘0’

14 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 14 Edge Detector Détecteur de front -32 cellules dimensionnées manuellement pour éviter les non-détections d’un front liées à la différence dans le seuil de détection des ‘0’ et des‘1’ -Mémoire RS associée à chaque cellule pour éviter la fluctuation de la sortie 20ns

15 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 15 Readout line

16 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 16 Readout line Ligne de lecture: Ligne à 32 cellules Chaque cellule est reliée à une sortie de la ligne d’échantillonnage Seule la sortie analogique de l’étage où D[k]=‘1’ est transmise vers le convertisseur flash

17 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 17 3 bit Flash Converter convertir la sortie analogique du Readout line en un mot de 3 bits

18 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 18 3 bit Flash Converter

19 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 19 3 bit Flash Converter Switching threshold (V) Inverter 1 1.19 Inverter 2 1.25 Inverter 3 1.31 Inverter 4 1.37 Inverter 5 1.43 Inverter 6 1.49 Inverter 7 1.55

20 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 20 TSU State Machine 12 bit – Conversion grossière 5 bit – Conversion fine 3 bit – Conversion ultrafine

21 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 21 Simulations Simulations d’une sortie de la cellule d’échantillonnage et celle de la ligne de lecture pour 8 « Hit » séparées de 10 ps. L’échantillonnage analogique de la pente du signal numérique permet de distinguer 8 niveaux différents indiquant les temps de détection Sortie stable après Δt≤5ns

22 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 22 Simulation de la réponse du TDC complet sur une plage de 90 ps avec un pas de 1ps -Résolution initiale 80 ps -Résolution finale 10 ps Simulations

23 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 23 Mesure de la réponse du TDC complet -Générateur de retard DG 645 -Plage de 2800 ps -Pas de mesure 5 ps -Jitter 7 ps rms -Mesure moyennée 130 fois Mesures

24 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 24 Zoom sur la réponse du TDC sur une plage de 500 ps Mesures conversion fine => 80 ps LSB, 21 ps rms conversion complète => 10 ps LSB, ~ 5.6 ps rms Erreur intégrale mesurée pour une résolution de 10 ps

25 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 25 Conclusion TDC à architecture hybride Conversion à 3 étages Très bonne résolution (10ps) Large dynamique de mesure (10µs) Temps mort de 40 ns Design compact et extensible Assemblage des vecteurs plus larges -Juxtaposition des lignes de TSU -DLL et un compteur partagés

26 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 26 Une ligne de 8 TDCs hybrides partageant un DLL, un compteur 12 bits et une unité de mémoire

27 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 27 Layout DLL Counter TSU Array Data Acquisition Unit Surface (DLL+ Compteur + TSU): 0.6 ×0.36 mm 2

28 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS Merci de votre attention

29 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 29 3 bit Flash Converter

30 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 30 Simulations

31 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 31 Mesures

32 Imane Malass Icube, University of Strasbourg and CNRS 32 TSU State Machine Hit↑ WR↑