Resumen de Sistemas front-end integrados para la detección de partículas cargadas aplicando técnicas de incremento de ganancia

Rafael López de Ahumada Gutiérrez

• español

  En este trabajo de investigación, se han propuesto y aplicado técnicas de incremento de ganancia en diseño analógico para implementar varios sistemas front-end utilizados en aplicaciones de física nuclear para la detección de partículas cargadas mediante detectores semiconductores de silicio. En los últimos años se ha incrementado el número de trabajos relacionados con la integración de estos sistemas front-end en tecnologías CMOS para cubrir ia necesidad de acondicionar y procesar la señal de centenares e incluso miies de canales de los nuevos sistemas de detección. Las ventajas relacionadas con ia alta densidad de integración y el bajo consumo de potencia, debe hacer frente a desafíos de diseño relacionados con la degradación de los parámetros analógicos de ios transistores debido ai escalado de ia tecnología, tales como la pérdida de ganancia intrínseca y el incremento de ruido. La tesis propone soluciones de circuito para incrementar ia ganancia de ios elementos activos que constituyen los bloques constructivos de la parte analógica de un sistema front-end, esto es, amplificadores sensibles a ia carga y conformadores de pulso o shapers, de forma que se asegure su correcto funcionamiento operando en iazo cerrado y usando tecnologías CMOS submicrométricas. Los diseños abordan cuestiones relacionadas con el ruido, consumo de potencia, área de silicio, rango dinámico, precisión, linealidad y velocidad. Todos los sistemas impiementados en esta tesis han sido fabricados usando tecnologías CMOS n-weil de 130 nm y de 90 nm. Los resultados de las medidas experimentales son presentados y analizados en cada caso para validar el funcionamiento del correspondiente diseño.

• English

  In this research work, gain enhancement techniques for analog design have been proposed and applied to implement several front-end electronics systems used in nuclear physics applications for detection of charged particles through silicon semiconductor detectors. In recent years the number of works related to the integration of these front-end systems in CMOS technologies has increased to meet the need of signal conditioning and processing from hundreds and even thousands of channels of new detection systems. The advantages related to the high density of integration and low power consumption, must face design challenges related to the degradation of the analog parameters of transistors due to the technology scaling-down, such as the low of intrinsic gain and the increase in noise. This thesis proposes circuit solutions to increase the gain of the active elements that constitute the building blocks of the analog part of a front-end system, i.e. charge sensitive amplifiers and shapers, to ensure their proper closed-loop operation and using submicron CMOS technologies. The designs addressed issues related to noise, power consumption, silicon area, dynamic range, precision, linearity and speed. All the systems implemented in this thesis have been fabricated using 130 nm and 90 nm n- well CMOS process technology. The results of experimental measurements are presented and analyzed in each case to validate the operation of the corresponding design.