Time variant, low-noise front-end channel for fully depleted, monolithic sensors in X-ray Imaging applications

A readout channel for fully depleted monolithic sensor in X-ray diffraction imaging at free electron lasers (FEL) has been developed in a 110 nm CMOS technology. It includes a low noise Charge Sense Amplifier (CSA) and a trapezoidal time variant filter (Differential Gate Integrator DGI). The analog front-end circuit can achieve an input dynamic range of 80 dB (1 to 10000 photons), with energy range from 1 to 10 keV, by using a signal compression technique based on the non-linear features of MOS capacitors in the feedback loop of the charge sense amplifier (CSA). Trapezoidal shaping is accomplished through a time variant filter, which is the second block in the readout channel, that is performing a correlated double sampling. Eventually, the sample is digitized by a 10-bit SAR ADC (its design in not part of this thesis work) generating a digitally encoded measurement of the energy released in the monolithic sensor by the incident radiation.

Canale di lettura tempo variante a basso rumore per sensori monolitici completamente svuotati in applicazioni di imaging a raggi X. Questo lavoro di tesi riguarda la progettazione di un canale di lettura per sensori monolitici completamente svuotati in applicazione di Imaging a raggi X, utilizzando una tecnologia CMOS 110 nm. Il canale di lettura è formato da un preamplificatore di carica ed un filtro trapeziodale tempo variante. Il canale di lettura è in grado di processare segnali con largo range dinamico 80dB (da 1 a 10000 fotoni con range di energia da 1 kev a 10 keV), grazie all'utilizzo di una tecnica di compressione basata sulla risposta non lineare della capacità NMOS collocata in retroazione allamplificatore di carica. Il segnale in uscita del preamplificatore di carica è successivamente elaborato da un filtro trapezoidale tempo variante (integratore differenziale) che migliora il rapporto segnale rimore SNR del segnale in ingresso. Infine, questo segnale analogico elaborato viene fornito ad un A\D convertitore analogico e digitale (la cui progettazione non è stato ambito di questo lavoro di tesi) che genera un codice digitale corrisponde all'energia di radiazione incidente sul sensore monolitico.