Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Επεξεργασίας Σήματος

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & Η/Υ AUTH Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Επεξεργασίας Σήματος ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ του Θωμά Α. Νούλη (Φυσικός MS.c. Ηλεκτρονικής Φυσικής (Ραδιοηλεκτρολογίας)) Επιβλέπων: Στυλιανός Σίσκος (Αναπληρωτής Καθηγητής) Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 009

2 Ευχαριστίες Φτάνοντας στην περάτωση της διδακτορικής διατριβής, τότε μόνο συνειδητοποιείς την συνολική πορεία και τους ανθρώπους που την επηρέασαν. Σε αυτούς τους ανθρώπους θέλω να αναφερθώ και να τους ευχαριστήσω θερμά για την σημαντική βοήθεια που μου πρόσφεραν στα διάφορα στάδια αυτής της πορείας. Θέλω να εκφράσω ξεχωριστά τις θερμές μου ευχαριστίες στον επιβλέποντα καθηγητή της διδακτορικής διατριβής, κ. Στυλιανό Σίσκο για την πολύτιμη συνεισφορά όχι μόνο κατά την διάρκεια της διδακτορικής διατριβής αλλά σε ολόκληρη την πορεία η οποία ξεκίνησε το 003 όντας τότε προπτυχιακός φοιτητής. Τον ευχαριστώ για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο μου όλα αυτά τα χρόνια, για την θερμή υποστήριξη του και ιδιαίτερα την ψυχολογική στήριξη του σε κρίσιμες στιγμές. Πέρα από πολύ καλός δάσκαλος και συνεργάτης αποτελεί πλέον έναν πολύ καλό φίλο και τον ευχαριστώ για όλα όσα μου προσέφερε τόσο σε επιστημονικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο ανθρώπινων σχέσεων. Θερμές ευχαριστίες ανήκουν στον Διευθυντή Έρευνας του Laboratory of Analysis and Architecture of Systems (LAAS-Toulouse) CNRS, κ. Gerard Sarrabayrouse για την πολύτιμη βοήθεια και την έντονη δραστηριότητα του όλα αυτά τα χρόνια. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω τον Μηχανικό Μετρήσεων του Laboratory of Analysis and Architecture of Systems, Dr. Laurent Bary, για την πραγματικά σημαντική βοήθεια του στο σκέλος των πειραματικών μετρήσεων. Θερμές ευχαριστίες ανήκουν και στον Αναπληρωτή καθηγητή του τομέα Ηλεκτρονικής και Η/Υ του τμήματος Φυσικής και μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, κ. Θεόδωρο Λαόπουλο, για τις πολύτιμες υποδείξεις του τόσο κατά την διδακτορική διατριβή όσο και κατά την διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών αλλά και στον Λέκτορα του τομέα Ηλεκτρονικής και Η/Υ, κ. Γεώργιο Θεοδωρίδη για τις πολύτιμες συμβουλές του και υποδείξεις του ιδιαίτερα κατά το τελευταίο έτος της διατριβής. Ιδιαίτερες ευχαριστίες ανήκουν και στα μέλη της επταμελούς εξεταστικής επιτροπής, στον καθηγητή του Τμήμ. Ηλεκτρ. Μηχ. Και Τεχν. Υπολ. του ΕΜΠ, κ. Ι. Παπανάνο, στον καθηγητή Τμήμ. Φυσικής ΑΠΘ, κ. Ι. Σάχαλο, στον καθηγητή Τμήμ. Φυσικής ΑΠΘ κ. Χ. Δημητριάδη, στον αν. καθηγητή Τμήμ. Ηλεκτρ. Μηχ. και Μηχ. Υπολ. του ΑΠΘ, κ. Α. Χατζόπουλο και στον επικούρο καθηγητή του Τμήματος Φυσικής του Α.Π.Θ., κ. Σ. Νικολαϊδη. i

3 Θερμές ευχαριστίες ανήκουν και στους φίλους και συναδέλφους μου, Ι. Παφίλη, Κ. Ντεραντόνη, Λ. Ναλπαντίδη, Β. Καλεντερίδη, Ν. Βασιλειάδη και Γ. Φίκο αλλά και στον Μ. Νικολαϊδη εργαστηριακό προσωπικό του τομέα Ηλεκτρονικής και Η/Υ. Η βοήθεια τους ήταν πολύτιμη και τους ευγνωμονώ γι αυτό. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω και τον φίλο και δάσκαλο μου Κ. Κοσματόπουλο, Λέκτορα του τομέα Ηλεκτρονικής και Η/Υ για τις πολύτιμες συμβουλές του και την πραγματικά ευχάριστη παρέα του. Τέλος, θέλω να εκφράσω την ιδιαίτερη ευγνωμοσύνη μου στους γονείς μου, Απόστολο και Γεωργία, και την αδερφή μου Αγγελική, για την συμπαράσταση τους και την ψυχολογική στήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια. Θα ήθελα να τους ευχαριστήσω για όλες τις θυσίες που έκαναν προκειμένου να μου δώσουν την δυνατότητα να πραγματοποιήσω τις σπουδές μου. Θωμάς A. Νούλης Ιούνιος 009 ii

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 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 1 ο 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 ο κεφάλαιο της διατριβής. Στο 3 ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται αναλυτικά οι βαθμίδες ενός συστήματος ανάγνωσης ακτινοβολίας (ο προενισχυτής και το φίλτρο μορφοποίησης) και αναλύεται η μεθοδολογία βελτιστοποίησης θορύβου τους και στο 4 ο και 5 ο κεφάλαιο της διατριβής παρατίθεται ο σχεδιασμός διαφορετικών δομών προενισχυτή και φίλτρων μορφοποίησης όπου οι επιδόσεις τους μελετούνται με προσομοιώσεις. Στο 6 ο 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 iii

5 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 7 ο 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. iv

6 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. 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. v

7 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 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. vi

8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφ. 1 Εισαγωγή Εφαρμογές ηλεκτρονικών συστημάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας 1. Ανιχνευτές ακτινοβολίας Χαρακτηριστικά απόδοσης συστημάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας Περιεχόμενο Συνεισφορά της διδακτορικής διατριβής 11 Αναφορές 13 Κεφ. Μοντέλα Προσομοίωσης 1/f Θορύβου 16.1 Πηγές θορύβου στη CMOS τεχνολογία Είδη θορύβου 17. Συσχέτιση των θορύβων (Noise correlation) 3.3 Σημαντικότερες πηγές θορύβου στη CMOS τεχνολογία Θερμικός θόρυβος καναλιού (channel thermal noise) / f θόρυβος (flicker noise) 7.4 Μοντέλα εξομοίωσης 1/f θορύβου του BSIM3v3 MOSFET μοντέλου Σύστημα μέτρησης flicker θορύβου Μοντέλα flicker θορύβου Προσομοιώσεις και πειραματικά αποτελέσματα 33 Αναφορές 40 Κεφ. 3 Συστήματα Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Εισαγωγή στα συστήματα ανάγνωσης ακτινοβολίας Αισθητήρας Προενισχυτής Φίλτρο Μορφοποίησης Περιγραφή προενισχυτή Κυρίως ενισχυτής κυκλώματος προενισχυτή (Folded Cascode Amplifier) Βελτιστοποίηση του συστήματος προενισχυτή φίλτρου μορφοποίησης - Ανάλυση θορύβου Αρχή μοντελισμού θορύβου της διάταξης Ανάλυση θορύβου προενισχυτή Ισοδύναμα φορτία θερμικού, 1/f και θορύβου βολής Βελτιστοποίηση θορύβου Βελτιστοποίηση ισοδύναμου φορτίου θερμικού θορύβου ENC d Βελτιστοποίηση του ισοδύναμου φορτίου 1/f θορύβου Λόγος σύγκρισης θορύβων (Noise Comparison Ratio) 61 Αναφορές 63 Κεφ. 4 Προενισχυτής Φορτίου Σχεδιασμός και προσομοίωση προενισχυτή χαμηλού θορύβου Σχεδιασμός προενισχυτή με NMOS τρανζίστορ εισόδου 66

10 4.1. Προσομοίωση προενισχυτή με NMOS τρανζίστορ εισόδου Προενισχυτής με χρήση PMOS τρανζίστορ εισόδου Προενισχυτής με χρήση NMOS τρανζίστορ εισόδου σε διαφορετική τεχνολογία υλοποίησης Αποτελέσματα Προσομοίωσης 87 Αναφορές 9 Κεφ. 5 Φίλτρα Μορφοποίησης Θεωρητική ανάλυση κυκλώματος μορφοποιητή μεθοδολογία σχεδιασμού Τασικά φίλτρα μορφοποίησης Σχεδιασμός ολοκληρωμένων τασικών μορφοποιητών Εισαγωγή Τεχνικές σχεδιασμού μορφοποιητών Σχεδιασμός φίλτρων μορφοποίησης τάσης με χρήση ενισχυτών διαγωγιμότητας Βασικά κυκλώματα με χρήση ενισχυτών διαγωγιμότητας Σχεδιασμός φίλτρων μορφοποίησης τάσης με χρήση ΟΤΑ Αποτελέσματα προσομοίωσης Ρευματικά φίλτρα μορφοποίησης Σχεδιασμός ολοκληρωμένων ρευματικών μορφοποιητών Εισαγωγή Σχεδιασμός ρευματικών μορφοποιητών με χρήση ενισχυτών διαγωγιμότητας Βασικά ρευματικά κυκλώματα με χρήση ενισχυτών διαγωγιμότητας Σχεδίασμός Ρευματικών φίλτρων μορφοποίησης με χρήση ΟΤΑ Αποτελέσματα προσομοίωσης Σχεδιασμός ρευματικών μορφοποιητών με χρήση μεταφορέων ρεύματος Βασικά κυκλώματα με χρήση μεταφορέων ρεύματος δεύτερης γενιάς (CCII) Σχεδίαση ρευματικών φίλτρων μορφοποίησης με χρήση CCII Αποτελέσματα προσομοίωσης 135 Αναφορές 138 Κεφ. 6 Πειραματικά Αποτελέσματα Πρωτότυπου Readout Microchip Προενισχύτης Φορτίου Χαμηλού Θορύβου (CSA) Θεωρητική Ανάλυση - Σχεδιασμός Προενισχυτή Πειραματικά Αποτελέσματα και Αποτελέσματα Προσομοίωσης του Προενισχυτή Φίλτρο Μορφοποίησης Σήματος (Shaping Filter) Ανάλυση και Σχεδιασμός του Φίλτρου Μορφοποίησης παλμού Πειραματικά Αποτελέσματα και Αποτελέσματα Προσομοίωσης Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας Χ 16

11 6.3.1 Θεωρητική ανάλυση - Σχεδιασμός συστήματος ανάγνωσης ακτινοβολίας Χ Πειραματικά Αποτελέσματα του συστήματος ανάγνωσης ακτινοβολίας Χ 165 Αναφορές 169 Κεφ. 7 Εναλλακτικές Δομές Προενισχυτή Φορτίου Ρευματική Αρχιτεκτονική Προενισχυτή Φορτίου Θεωρητική Ανάλυση Μεθοδολογία Σχεδιασμού Αποτελέσματα Προσομοίωσης και Πειραματικές Μετρήσεις Προενισχυτής φορτίου τεχνολογίας SiGe BiCMOS Σχεδιασμός Folded Cascode Ενισχυτών Αποτελέσματα Προσομοίωσης 184 Αναφορές 189 Συμπεράσματα της Διατριβής Θέματα μελλοντικής έρευνας 191 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I - Μοντέλο Θορύβου BSIM 1/f 196 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II - Υπολογισμός του Συνολικού Ισοδύναμου Φορτίου Θορύβου 197 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ III - Σύστημα Μέτρησης 01 Δημοσιεύσεις 04

12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I Εισαγωγή Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη και ο σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για εφαρμογές διασύνδεσης αισθητηρίων. Ιδιαίτερα ωφέλιμο είναι να πραγματοποιηθεί μία συνοπτική αναδρομή στην εξέλιξη αυτού του επιστημονικού κλάδου και στις όποιες εφαρμογές του. Στον χώρο της τεχνολογίας ηλεκτρονικών κυκλωμάτων δόθηκε μεγάλη ώθηση όταν έγινε δυνατή η μονολιθική ολοκλήρωση των πρώτων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με αποτέλεσμα τη μείωση του απαιτούμενου όγκου. Αργότερα η πυκνότητα ολοκλήρωσης έγινε ακόμα μεγαλύτερη και περισσότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα ενσωματώνονταν στην ίδια ψηφίδα και έγινε πλέον εφικτή η ολοκλήρωση πολύ μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration) με αποτέλεσμα την σημαντική μείωση του κόστους υλοποίησης και της αξιοπιστίας των κυκλωμάτων. Με την εξέλιξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ταχύτατα αναπτύχθηκαν κυρίως τα ψηφιακά κυκλώματα αποκτώντας σημαντικό κομμάτι της παγκόσμιας αγοράς. Παρουσιάζουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα έναντι των αναλογικών κυκλωμάτων όπως η ευκολία στον σχεδιασμό, η μεγαλύτερη πυκνότητα ολοκλήρωσης που συνεπάγεται μειωμένο κόστος και κυρίως η μεγαλύτερη αξιοπιστία και σταθερότητα με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί αρχικά η αίσθηση ότι θα κυριαρχήσουν ολοκληρωτικά. Γρήγορα όμως διαπιστώθηκε πως από την στιγμή που στον φυσικό κόσμο τα σήματα είναι αναλογικά, η πρώτη βαθμίδα επεξεργασίας σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να αποτελείται από Εισαγωγή 1

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I αναλογικά κυκλώματα. Έτσι έγινε προσπάθεια ενσωμάτωσης στο ίδιο ολοκληρωμένο τόσο αναλογικών όσο και ψηφιακών κυκλωμάτων με αποτέλεσμα την ανάπτυξη των πρώτων μικτών αναλογικών ψηφιακών ολοκληρωμένων (Mixed Signal Integrated Circuits). Ένας τομέας της ηλεκτρονικής που αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας της πληθώρας εφαρμογών του, είναι τα ολοκληρωμένα συστήματα ανάγνωσης για αισθητήρες και ανιχνευτές στερεάς κατάστασης. Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των συστημάτων ανάγνωσης διαδραμάτισε η πρόοδος στον κλάδο των ανιχνευτών και αισθητήρων στερεάς κατάστασης. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που προορίζονται να επεξεργαστούν σήμα ανιχνευτή ονομάζονται ηλεκτρονικά ανάγνωσης. Οι πρώτες βαθμίδες των ηλεκτρονικών ανάγνωσης (Front End Electronics) είναι απαραίτητα αναλογικά κυκλώματα επεξεργασίας του αναλογικού σήματος του ανιχνευτή. Η επεξεργασία του σήματος ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμογή και τις εκάστοτε απαιτήσεις και μπορεί να περιλαμβάνει από απλή ενίσχυση του σήματος, μέχρι μετατροπή του σε ψηφιακό και αποθήκευση του. Στη συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά η αρχή λειτουργίας και τα κυριότερα ήδη ανιχνευτών, καθώς και τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογών τους. 1.1 Εφαρμογές ηλεκτρονικών συστημάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας Τα ολοκληρωμένα συστήματα ανάγνωσης ακτινοβολίας ανιχνευτών στερεάς κατάστασης βρίσκουν εφαρμογή τόσο σε επιστημονικά - ερευνητικά πεδία όσο και σε εμπορικούς σκοπούς. Σταδιακά έχουν εισαχθεί σε διάφορα προϊόντα καθημερινής χρήσης. Κάποιες από τις πιο σημαντικές εφαρμογές τους αναφέρονται παρακάτω. Πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (High Energy Physics Experiments) Ως πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών ορίζονται οι αντιδράσεις στοιχειωδών σωματιδίων. Οι ενέργειες των συγκρουόμενων σωματιδίων είναι ιδιαίτερα υψηλές και προκειμένου να επιτευχθούν, χρησιμοποιούνται επιταχυντές. Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι άλλα σωματίδια των οποίων τα χαρακτηριστικά ανιχνεύονται με χρήση εξελιγμένων συστημάτων ανάγνωσης. Τα Εισαγωγή

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I παραγόμενα σωματίδια προσπίπτουν στον ανιχνευτή στερεάς κατάστασης. Ο ανιχνευτής παράγει το σήμα προς επεξεργασία από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης. Από το αναλογικό σήμα του συστήματος ανάγνωσης μπορεί να υπολογιστεί η ακριβής ενέργεια του παραγόμενου από την πυρηνική αντίδραση σωματιδίου, το πλήθος των σωματιδίων και η ακριβής θέση της σύγκρουσης. Ο τομέας αυτός είναι ο πρώτος στον οποίο εφαρμόστηκαν τα ολοκληρωμένα συστήματα ανάγνωσης [ ]. Ιατρικές Εφαρμογές Ζωτικής σημασίας χώρος, στον οποίο τα συστήματα ανάγνωσης βρίσκουν σημαντικές εφαρμογές, είναι και αυτός της Ιατρικής [ ]. Τα τελευταία χρόνια οι εφαρμογές σε αυτό το χώρο πληθαίνουν και σημαντικό ερευνητικό δυναμικό έχει προσανατολιστεί προς αυτή την κατεύθυνση. Χαρακτηριστικά παραδείγματα χρήσης συστημάτων ανάγνωσης είναι η αξονική και μαγνητική τομογραφία, που αποσκοπούν στην αποτελεσματική και έγκαιρη διάγνωση ασθενειών ή δυσλειτουργιών ανθρώπινων οργάνων. Απλούστερες εφαρμογές στον χώρο της Ιατρικής είναι η μαστογραφία και η κάθε είδους ακτινογραφία. Σημαντικές επίσης είναι οι εφαρμογές στο χώρο της Βιολογίας και της Βιοιατρικής. Συστήματα Απεικόνισης Σημαντική εφαρμογή των ηλεκτρονικών συστημάτων ανάγνωσης αποτελούν τα συστήματα απεικόνισης [ ]. Στα συστήματα απεικόνισης συμπεριλαμβάνονται και οι περισσότερες ιατρικές εφαρμογές. Ουσιαστικά, τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης που συνδέονται σε κάποιο είδος ανιχνευτή αφού μετατρέψουν την αναλογική πληροφορία σε ψηφιακά δεδομένα, με κατάλληλη επεξεργασία αναπαράγουν την εικόνα. Το πλήθος των εφαρμογών είναι αρκετά μεγάλο και διαχωρίζεται ανάλογα με το είδος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στον ανιχνευτή. Ιδιαίτερη ανάπτυξη γνωρίζουν τα συστήματα απεικόνισης ακτίνων-χ με ευρύ φάσμα ενεργειών ανάλογα με την εφαρμογή (5-300keV). Συστήματα απεικόνισης χρησιμοποιούνται στην φασματοσκοπία και στην κρυσταλλογραφία, στην αναγνώριση και ταυτοποίηση προτύπων, στην ρομποτική και σε πολλές άλλες εφαρμογές. Διαστημικές Εφαρμογές Εισαγωγή 3

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I Εκτεταμένη χρήση γνωρίζουν τα συστήματα ανάγνωσης και στον χώρο των διαστημικών ερευνών [ ]. Πλήθος διαστημικών οχημάτων είναι εφοδιασμένα με ειδικούς αισθητήρες των οποίων τα σήματα επεξεργάζονται και αποθηκεύονται από συστήματα ανάγνωσης. Αντίστοιχα συστήματα είναι τοποθετημένα και στα οχήματα που προσγειώνονται σε πλανήτες κατά την εξερεύνηση τους. Οι δορυφόροι όλων των ειδών, τηλεπικοινωνιακοί και μετεωρολογικοί, διαθέτουν κυκλώματα ηλεκτρονικών ανάγνωσης για αναγνώριση και ταυτοποίηση στοιχείων. Βιομηχανικές και Εμπορικές Εφαρμογές Τα συστήματα ανάγνωσης έχουν πλέον εισαχθεί και στον χώρο της βιομηχανίας με σκοπό την αυτοματοποίηση της διαδικασίας παραγωγής και την βελτίωση της ποιότητας. Συστήματα χρησιμοποιούνται για τον αυτόματο έλεγχο των παραγόμενων προϊόντων και την διασφάλιση της ποιότητας κατασκευής. Εκτεταμένη χρήση γίνεται και στην αυτοκινητοβιομηχανία όπου κατά την διάρκεια της παραγωγής, απαιτούνται εκτενείς έλεγχοι. Όσον αφορά στις βιομηχανικές εφαρμογές, διάφορα προϊόντα καθημερινής χρήσης εμπεριέχουν αυτόματα συστήματα ανάγνωσης. Για παράδειγμα, στα αυτοκίνητα υπάρχουν αισθητήρες που ρυθμίζουν την φωτεινότητα των προβολέων και την απόδοση του κινητήρα. Σε ηλεκτρικές συσκευές, όπως φωτογραφικές μηχανές και κάμερες, χρησιμοποιούνται αντίστοιχοι αισθητήρες για να αυτοματοποιήσουν διαδικασίες όπως χρήση φλας ή βέλτιστη εστιακή απόσταση. Τέλος, ολοένα και περισσότερες οικιακές συσκευές όπως πλυντήρια και κουζίνες εξοπλίζονται με έξυπνους αισθητήρες για την λήψη αποφάσεων προκειμένου να γίνει η χρήση τους ευκολότερη, ασφαλέστερη και οικονομικότερη. 1. Ανιχνευτές ακτινοβολίας Η αρχή λειτουργίας των ανιχνευτών στερεάς κατάστασης στηρίζεται στην παραγωγή φορτίου της επαφής pn όταν διεγερθεί από ένα σωματίδιο ακτινοβολίας [1.5]. Πιο συγκεκριμένα όταν ένα φωτόνιο διέλθει από την περιοχή ελλείψεως φορέων της επαφής pn, η οποία ονομάζεται και περιοχή φορτίου χώρου, παράγεται φορτίο υπό την μορφή ζεύγους ηλεκτρονίου οπής. Το 4 Εισαγωγή

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I παραγόμενο φορτίο είναι ευθέως ανάλογο της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Με την εφαρμογή κατάλληλης διαφοράς δυναμικού στα άκρα της επαφής pn οι ελεύθεροι φορείς προσανατολίζονται και δημιουργούν ρεύμα, το οποίο αποτελεί το παραγόμενο σήμα από τον ανιχνευτή στερεάς κατάστασης. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ανιχνευτών στερεάς κατάστασης είναι κυρίως ημιαγώγιμα εξαιτίας των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν με συνηθέστερα το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Τα τελευταία χρόνια έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά όπως ο ιωδιούχος υδράργυρος (HgI ), το αρσενιούχο γάλλιο (GaAs), το κράμα καδμίου - τελλουρίου (CdTe) και το κράμα καδμίου ψευδαργύρου - τελλουρίου (CdZnTe). Οι κυριότεροι τύποι ανιχνευτών στερεάς κατάστασης αναφέρονται συνοπτικά παρακάτω. Ανιχνευτές Μικροταινίας (microstrip detectors) Το πιο διαδεδομένο είδος ανιχνευτή, ιδιαίτερα στα πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών και για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων, είναι οι ανιχνευτές μικροταινίας [ ]. Ουσιαστικά αποτελούνται από διόδους pn οι οποίες έχουν μικρό πλάτος (10-50μm) και μεγάλο μήκος (10-50mm) έχοντας το σχήμα μιας μακριάς ταινίας. Τοποθετώντας παράλληλα πολλές τέτοιες στοιχειώδεις μονάδες δημιουργείται ο ανιχνευτής μικροταινίας. Η απόσταση μεταξύ των διαδοχικών επαφών καθορίζει και την διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή μικροταινίας. Στην απλούστερη του μορφή οι δίοδοι pn, οι οποίες αποτελούν και τα μοναδιαία ανιχνευτικά στοιχεία, τοποθετούνται σε κοινό υπόστρωμα πυριτίου, στο κάτω μέρος του οποίου, σχηματίζεται ωμική επαφή για την εφαρμογή της τάσης που θα πολώσει τον ανιχνευτή. Η ανάστροφη πόλωση της επαφής pn έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία περιοχής φορτίων χώρου που εκτείνεται σε όλο το βάθος του υποστρώματος. Για την κατασκευή του ανιχνευτή μικροταινίας εφαρμόζονται τεχνολογικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και η διακριτική ικανότητα που παρουσιάζουν είναι αρκετά υψηλή. Υπάρχει δυνατότητα για μονοδιάστατη ανίχνευση θέσης. Η τυπική χωρητικότητα που παρουσιάζουν είναι τάξης του pf. Για την διδιάστατη ανίχνευση θέσης και την βελτίωση της διακριτικής ικανότητας έχουν αναπτυχθεί και ανιχνευτές διπλής μικροταινίας [ ] με αντίστοιχες ιδιότητες αλλά ιδιαίτερα αυξημένη πολυπλοκότητα. Εισαγωγή 5

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I Ανιχνευτές Ολίσθησης (Silicon Drift Detectors) Οι ανιχνευτές ολίσθησης αποτελούνται από διόδους pn κοινού υποστρώματος πυριτίου [ ]. Στους ανιχνευτές ολίσθησης οι δίοδοι δημιουργούνται και στις δύο επιφάνειες του πυριτίου. Ουσιαστικά πρόκειται για δύο διόδους τοποθετημένες back to back. Ακόμα και χωρίς την εφαρμογή κάποιας τάσης στο κομμάτι του πυριτίου που είναι κάτω από τις επαφές έχει δημιουργηθεί περιοχή ελλείψεως φορέων, αντίθετα με την περιοχή στο κέντρο του υποστρώματος. Όταν οι δίοδοι πολωθούν ανάστροφα η περιοχή φορτίου χώρου εκτείνεται σε όλο το υπόστρωμα. Δημιουργείται κατανομή δυναμικού με κέντρο το μέσο του υποστρώματος. Τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται στο κέντρο του υποστρώματος αντίθετα με τις οπές που κατευθύνονται στην επιφάνεια. Εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο παράλληλα του δισκίου τα ηλεκτρόνια ολισθαίνουν μέσα στο υπόστρωμα με δεδομένη ταχύτητα. Προσδιορίζοντας τον συνολικό χρόνο μέχρι να φτάσουν τα ηλεκτρόνια στην άνοδο προσδιορίζεται η ακτίνα πρόσκρουσης. Σημαντικό πλεονέκτημα των ανιχνευτών ολίσθησης είναι η μειωμένη χωρητικότητα (περίπου 0.1pF) (η οποία σχετίζεται άμεσα με τον θόρυβο του συστήματος και κατ επέκταση την διακριτική ικανότητα). Μειονέκτημα είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα που απαιτείται να έχουν τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά ανάγνωσης. Τέλος η διαδικασία κατασκευής των ανιχνευτών ολίσθησης απαιτεί διεργασίες και στις δύο επιφάνειες του πυριτίου κάτι που είναι αρκετά πιο δύσκολο σε σχέση με τους ανιχνευτές μικροταινίας. Επιπλέον η τάση που χρειάζεται για να λειτουργήσει ο ανιχνευτής είναι αρκετά υψηλή (kv). Ανιχνευτές Εικονοστοιχείων (Pixel Detectors) Οι ανιχνευτές ψηφίδας αποτελούνται από πολλές στοιχειώδεις ανιχνευτικές διατάξεις, συνήθως τετράγωνοι δίοδοι διαστάσεων μερικών δεκάδων μm [ ]. Οι δίοδοι τοποθετούνται ώστε να σχηματίζουν διδιάστατο πλέγμα αποτελώντας τον συνολικό ανιχνευτή ψηφίδας. Εξαιτίας της δομής τους παρουσιάζουν μεγάλη διακριτική ικανότητα. Ο τρόπος κατασκευής τους ταυτίζεται με την διαδικασία παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Για το λόγο αυτό είναι δυνατόν τόσο ο ανιχνευτής όσο και τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης να τοποθετηθούν στην ίδια ψηφίδα. Έτσι η διασύνδεση του ανιχνευτή εικονοστοιχείων με τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης γίνεται άμεσα και η συνολική 6 Εισαγωγή

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I χωρητικότητα στον κόμβο εισόδου των κυκλωμάτων είναι αρκετά μικρή. Αυτή η μικρή χωρητικότητα του ανιχνευτή και η άμεση σύνδεση παραγόμενου σήματος και κυκλωμάτων ανάγνωσης έχει σαν αποτέλεσμα χαμηλό επίπεδο θορύβου και κατ επέκταση αυξημένη διακριτική ικανότητα. Ανιχνευτές CCD (Charge Coupled Devices) Οι ανιχνευτές CCD αποτελούνται από πολλές επαφές MOS πάνω στην επιφάνεια του πυριτίου [ ]. Ουσιαστικά η επαφή MOS σχηματίζεται με την δημιουργία ενός στρώματος πολυκρυσταλλικού πυριτίου πάνω από το διοξείδιο του πυριτίου, όπως ακριβώς με την πύλη ενός MOS τρανζίστορ. Με την εφαρμογή κατάλληλης θετικής τάσης στην επαφή δημιουργείται περιοχή ελλείψεως φορέων και ένα πηγάδι δυναμικού. Αυτό το πηγάδι δυναμικού συγκεντρώνει τα ηλεκτρόνια που παράγονται από μια διέγερση. Οι γειτονικές επαφές είναι πολωμένες με διαφορετική τάση, περιορίζοντας το φορτίο ώστε να συγκρατηθεί κάτω από την αρχική επαφή. Η μεταφορά του φορτίου από επαφή σε επαφή γίνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα το δυναμικό στις πύλες τους. Με αυτό τον τρόπο το φορτίο μεταφέρεται από το ένα πηγάδι δυναμικού στο διπλανό του μέχρι να φτάσει στην έξοδο. Για την σωστή μεταφορά του παραγόμενου φορτίου χωρίς διαδοχικές απώλειες χρειάζονται αλληλεπικαλυπτόμενοι παλμοί ρολογιού. Ανάλογα με την εφαρμογή έχουν αναπτυχθεί διάφορα είδη ανιχνευτών CCD (surface channel, buried channel CCD). 1.3 Χαρακτηριστικά επίδοσης συστημάτων ανάγνωσης ακτινοβολίας Ένα απλοποιημένο διάγραμμα συστήματος ανιχνευτή στερεάς κατάστασης - ηλεκτρονικών ανάγνωσης ακτινοβολίας δίνεται στο σχήμα 1.1. Προσπίπτουσα ακτινοβολία αλληλεπιδρά με τον αισθητήρα με αποτέλεσμα την δημιουργία μικρού παλμικού σήματος που οδηγείται στα αναλογικά κυκλώματα ανάγνωσης. Το αναλογικό τμήμα επεξεργάζεται κατάλληλα το σήμα εισόδου, διαδικασία που τις περισσότερες φορές περιλαμβάνει ενίσχυση και φιλτράρισμα του θορύβου. Το παραγόμενο σήμα είναι ανάλογο του σήματος του ανιχνευτή. Στις περισσότερες εφαρμογές απαιτείται μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Οι παραγόμενοι ψηφιακοί παλμοί αποτελούν ένδειξη πως στο συγκεκριμένο κανάλι έχει καταγραφεί γεγονός. Σε πολλά συστήματα είναι Εισαγωγή 7

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I απαραίτητο να είναι διαθέσιμες τόσο η αναλογική έξοδος όσο και η ψηφιακή για την άντληση της απαραίτητης πληροφορίας. Στην τελική εφαρμογή πολλές χιλιάδες πανομοιότυπα κανάλια με ηλεκτρονικά ανάγνωσης συνδέονται παράλληλα για να καταγράψουν τα παραγόμενα σήματα από τους ανιχνευτές. Στη συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά οι κυριότερες προδιαγραφές λειτουργίας των συστημάτων ανίχνευσης ακτινοβολίας και τα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν την επίδοση του συστήματος και κατ επέκταση το βέλτιστο σχεδιασμό του. Σχήμα 1.1 Διάγραμμα ανιχνευτή-ηλεκτρονικού συστήματος ανάγνωσης Χωρητικότητα Ανιχνευτή (Detector Capacitance) Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η συμπεριφορά κυκλωμάτων ανάγνωσης και να ελαχιστοποιηθεί ο συνολικός θόρυβος, πρέπει να ταιριαστεί κατάλληλα η χωρητικότητα του στοιχείου εισόδου με την χωρητικότητα του ανιχνευτή. Ανάλογα με το είδος του ανιχνευτή ή του αισθητήρα η τιμή της χωρητικότητας ποικίλει από κάποια ff μέχρι εκατοντάδες pf. Απόδοση Θορύβου (Noise Performance) Ο θόρυβος των ηλεκτρονικών ανάγνωσης στην έξοδο του συστήματος ανάγνωσης πρέπει να είναι μικρότερος από ένα συγκεκριμένο - δεδομένο όριο. Το όριο αυτό επιβάλλεται από την εφαρμογή ώστε να μπορεί να διαχωριστεί με ακρίβεια το χρήσιμο σήμα από τον θόρυβο. Σε πολλές περιπτώσεις όπου τα σήματα του ανιχνευτή είναι πολύ ασθενή όπως συμβαίνει στις περισσότερες ιατρικές εφαρμογές, η προδιαγραφή θορύβου θεωρείται η πλέον αυστηρή και κρίσιμη. 8 Εισαγωγή