Development of analog and digital circuits for sensors with high time resolution
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Vortrag zur Masterarbeit von Thomas Frei zum Thema Entwicklung von Analogen und Digitalen Integrierten Schaltungen für Sensoren mit hoher Zeitauflösung
Der PicoPix1 und MightyPix sind zwei neuartige Pixelsensoren, welche aktuell am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt werden. Der Fokus dieser Thesis ist auf dem Design eineranalogen Schaltung für den PicoPix1 und einer digitalen Schaltung für den MightyPix. Für die analoge Schaltung vom PicoPix1 wurde ein Hochspannungstreiber für das Erfüllen der Spezifikationen bereitgestellt. Eine kaskadierte Common-Source Verstärkerschaltung mit drei NMOS Transistoren verstärkt ein 0 bis 1.2 V Eingangssignal, um ein Ausgangssignal von 0 bis 3.6 V für die Datenübertragung bereitstellen zu können. Das Ausgangssignal garantiert eine Ausgangsschwingung von mindestens 80 % der externen Versorgungsspannung. Mit einem Level-Shifter in der Rückkopplung vom kaskadierten Verstärker werden Übertragungsfrequenzen von 8 GHz garantiert für einen Temperaturbereich von −20 bis 50 °C, Ungenauigkeiten in der Versorgungsspannung von 10 % und den erwarteten Imperfektionen in den Bauteilen. Der Level-Shifter benötigt eine Reset-Schaltung mit einer 1 nA Stromquelle, welche mit einem MOS Wilson Stromspiegel realisiert wurde. Ein zusätzlicher Eingangspuffer verhindert die Notwendigkeit eines hohen Ausgangsstromes der Signalquelle, welcher für das Laden der hohen Eingangskapazität der Verstärkerstufe benötigt wird. Für die digitale Schaltung wurde ein I²C Slave Modul in Verilog geschrieben, welches die Kommunikation mit den internen Registern vom MightyPix Chip erlaubt. Dies ermöglicht es, den Chip mit dem Low Power Giga Bit Transceiver (lpGBT) zu konfigurieren. Ein spezielles Kommunikationsprotokoll ermöglicht das Verwenden eines 2 Byte großen Header mit einer verlängerten Adresslänge und den wiederholten oder aufeinanderfolgenden Zugriff auf die Register. Ein Registerinterface verwaltet die Lese- und Schreibdaten wie auch die Zugriffserlaubnis. Eine umfangreiche SystemVerilog Testbench stellt die Funktionalität der Hardware Module sicher und ermöglicht die Implementation von weiteren Registern mit minimalen Anpassungen.
Vortragssprache: Englisch
Lecture to the master thesis from Thomas Frei on the Topic Development of analog and digital circuits for sensors with high time resolution
The PicoPix1 and the MightyPix are two new pixel sensors currently in development at the Karlsruhe Institute of Technology. This thesis focuses on the deisgn of an analog circuit for the PicoPix1 and a digital circuit for the MightyPix. For the analog circuit of the PicoPix1, a high voltage driver circuit was provided to ensure the fulfillment of the specifications. A cascoded common-source gain stage using three NMOS transistors amplifies a 0 to 1.2 V input signal to provide an output signal of 0 to 3.6 V for data transmission. With the use of a level-shifter in the feedback of the cascoded amplifier, transmission frequencies of 8 GHz are guaranteed for temperatures of −20 to 50 °C, supply voltage inaccuracies of 10 % and the expected device variations. The output signal is guaranteed to provide an output swing of at least 80 % of the external supply voltage. The level-shifter uses a reset circuit with a 1 nA current source which was implemented using a MOS Wilson current mirror. Additionally, an input buffer eliminates the need for a high output current of the signal source which is needed to charge the large input capacitance of the gain stage. For the digital circuit, an I²C slave module was written in Verilog to allow communication with the internal registers of the MightyPix Chip. This enables the possibility to configure the chip using the Low Power Giga Bit Transceiver (lpGBT). An advanced communication protocol allows the use of a 2 Byte large header with an extended address length and the possibility to access registers repeatedly or in succession. A register interface manages the read and write data as well as the access permission. The extensive SystemVerilog testbench ensures the functionality of the hardware modules and allows the implementation of additional registers with minor adjustments.
Lecture language: English