Design of a photodiode interface in 0.35 um CMOS for steelmaking optimization.

The project described in this thesis starts with a collaboration between a branch of Tenova S.p.a. located in Mississauga (ON) and the University of Toronto. The company required the design and realization of a wireless, integrated pyrometer that is a particular sensor, which detects the temperature of an object catching, with a photodiode, the light coming from the object itself. The sensor consists of two main parts: an interface, which transforms the current coming from the photodiode into a voltage, and a wireless transmitter. The first block represents the core of the project reported in this work. Because of the hostile industrial environment (high temperature foundry), which does not allow to frequently replace the batteries, one of the most important design constraint is the power consumption that must be very low; in this realization, it corresponds to hundred of microWatts, which is an equal or better result compared to the state of the art. The interface is made by a filter, followed by an analog to digital converter (ADC). The aim of the filter in front of the ADC is to reduce the noise before the analog to digital conversion. Unfortunately, the required cut-off frequency below 500 Hz sets some constraints in the fully integration of the filter with traditional topologies, which would require very large capacitors in the order of some nF. The key idea of this thesis was to adopt a modified $2^{\text{nd}}$ order Rauch topology in order to exploit the large photodiode's output capacitance to filter the signal, obtaining a low frequency bandwidth, avoiding the integration of other big capacitances. The filter was implemented with a Switched-Capacitor approach, allowing having all the advantages related to SC circuits, such as offset and flicker noise cancellation. It will also be shown that the filter has an intrinsic anti-aliasing behavior that means there is no need of another filtering stage before the actual interface, reducing costs of design and realization.

Interfaccia Integrata per fotodiodo in tecnologia CMOS. Il progetto descritto in questa tesi nasce dalla collaborazione tra la filiale di Missisauga (ON) dell'azienda Tenova S.p.a. e l'Università di Toronto. La richiesta prevede la progettazione e realizzazione di un pirometro integrato e wireless, ovvero un sensore particolare in grado di rilevare la temperatura di un oggetto, catturando la luce emessa dall'oggetto stesso, per mezzo di un fotodiodo. Il sensore consta di due parti principali: un'interfaccia, che trasforma in tensione la corrente proveniente dal fotodiodo ed un trasmettitore wireless. Il primo blocco costituisce il cuore del progetto riportato in questo lavoro. Uno dei principali limiti di progettazione è rappresentato dal consumo di potenza, a causa dell'ambiente industriale ostile (fonderia ad alte temperature), che non permette un ricambio frequente delle batterie. La potenza dissipata in questa realizzazione corrisponde a centinaia di microWatts, che rappresenta un risultato in linea ed in alcuni casi migliore rispetto allo stato dell'arte. L'interfaccia è costituita da un filtro, seguito da un convertitore analogico-digitale (ADC). La funzione del filtro è quella di ridurre il rumore, prima che il segnale venga convertito. Sfortunatamente, la bassa frequenza di taglio richiesta (inferiore a 500 Hz) pone dei limiti fisici alla totale integrazione del filtro utilizzando topologie standard, che richiederebbero l'utilizzo di capacità dell'ordine di qualche nF. L'idea chiave di questa tesi è rappresentata dalla scelta di modificare una topologia Rauch del secondo ordine, al fine di sfruttare la grande capacità del diodo per filtrare il segnale a bassa frequenza, evitando l'integrazione di altre grandi capacità. Il filtro è stato implementato con approccio Switched-Capacitor e possiede per questa ragione i vantaggi connessi ai circuiti SC, ad esempio la cancellazione dell'offset e del rumore flicker. Esso è inoltre caratterizzato da un comportamento anti-aliasing intrinseco, evitando così la necessità di un ulteriore stadio di filtraggio iniziale, riducendo costi di progettazione e realizzazione.