Search

This thesis presents the development of a readout strategy and a front-end for radiation detectors especially adapted for positron emission tomography. The developed front-end is optimized for the implementation in modern CMOS technologies. On one hand, most of the signal processing is transferred into the digital domain to benefit from the high digital integration density. On the other hand, the circuits have to be robust against cross-talk and power supply noise. Low-power design methods are used. For the first building block of the readout channel, the charge sensitive amplifier (CSA), the development focuses on the implementation of a low-power and low-noise design. The second main building block of the presented readout approach is an analog-to-digital converter (ADC). The required performance for the acquisition of the energy of a photon is analyzed. The application also demands for a timestamp of an event. Both properties to be measured, energy and time, lead to different resolution and bandwidth requirements. An oscillator based ADC is identified to fulfill the different requirements of the energy and time acquisition by using a single ADC in Nyquist and oversampling operation. This ADC can be directly connected to the charge sensitive amplifier due to its inherent anti-alias filtering. In this way, the analog shaping filters are moved into the digital domain. A linearization technique for ring oscillators is developed to achieve the requirements, while using a current starved ring oscillator within the ADC. The power consumption is reduced by an improved phase sampling circuit, which decouples the sampling frequency from the oscillator frequency. The area of the ADC is small compared to many other recently published ADCs and compared to a classical analog readout channel. Its highly digital architecture also provides remarkable scalability in modern CMOS technologies.

Bei einem ringoszillator-basierten ADC kann die Erhöhung der Auflösung durch den Einsatz eines Ringoszillators erreicht werden. Jedoch ist eine hohe Linearität für Ringoszillatoren von entscheidender Bedeutung, da die Nichtlinearität der Oszillatoren die Leistungseffizienz des oszillatorbasierten ADCs negativ beeinflusst. Bis jetzt wurde die Nichtlinearität eines VCOs durch verschiedene Techniken kompensiert z.B. durch eine Rückkopplung des Ausgangssignals auf den Eingangssignal. Diese Lösung hat zwei Nachteile. Zu einem werden zusätzliche Schaltungen nötig, die eine große Chip-Fläche erfordern. Zum anderen wird entsprechend der zusätzlichen Schaltungen mehr Strom bzw. Leistung verbraucht. Infolgedessen verschlechtert es die Gütezahl "FOM" des ADCs. Deshalb ist die Entwicklung eines Ringoszillators mit hoher Linearität ein wichtiges Ziel. Die Ringoszillatoren bestehen aus einer geschlossenen Kette der in Reihe geschalteten Inverter, deren Verzögerungszeit von der Umladung der Lastkapazität jedes Inverters verursacht wird. Somit hängt die Verzögerungszeit von der Lastkapazität, dem Umladestrom und dem Spannungshub der Lastkapazität bei der Auf- bzw. Entladung ab. Die Lastkapazität und deren Spannungshub sind aufgrund der konstanten Versorgungs-Spannung ebenfalls konstant. Daher kann die Verzögerungszeit durch die Veränderung des Versorgungsstroms variiert werden. Da die Oszillatorfrequenz mit der inversen Verzögerungszeit proportional ist, hat sie einen linearen Zusammenhang mit dem Versorgungsstrom. Die Erfindung von Matthias Völker und Harald Neubauer (Fraunhofer IIS) hat diese Eigenschaft für die Linearität des Ringoszillators genutzt, wobei der Versorgungsstrom mit Hilfe einer Regelschleife der Steuergröße angeglichen wird. Somit wird ein linearer Zusammenhang zwischen der Ring-oszillator-Frequenz und der Steuergröße erreicht. Im Rahmen dieser Masterarbeit, die in Zusammenarbeit mit der technischen Universität Berlin (Institut Mikroelektronik) und dem Fraunhofer IIS (Abteilung IC-Entwurf Analog Systeme) in Erlangen erstellt wurde, wurden zuerst Kriterien definiert, um die Nichtlinearität der bereits entworfenen Ringoszillatoren zu beurteilen. Durch die Schaltungs-Analyse mit Hilfe der Simulation unter Cadence und Matlab wurden die Ursachen der Nichtlinearität der drei ausgewählten Ringoszillatoren analysiert und verglichen. Anschließend wurde ein optimierter Ringoszillator entworfen, der eine bessere Linearität im Vergleich zu den untersuchten Oszillatoren hat. Die untersuchten Ringoszillatoren sind auf einem 11 Element CMOS-Inverter, die in einer 180 nm CMOS Technologie implementiert wurden, basiert und werden von einer Spannung von 1,8 V versorgt.