Progetto e realizzazione
di un capacimetro con microcontrollore
per fotodiodi SPAD
Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri
Relatore: Prof. Alberto Tosi
Correlatore: Ing. Alberto Dalla Mora
Sommario
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 La capacità dello SPAD
 Funzionamento del capacimetro
 Taratura e misure sperimentali
 Conclusioni e prospettive
Milano, 22 Luglio 2009
Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri
Il fotorivelatore SPAD
Rivelazione del fotone:
Confronto APD – SPAD :
Milano, 22 Luglio 2009
Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri
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Circuiti di spegnimento passivi
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Free Running
Gated
– Mode
Errori di
rivelazione
Alzare Soglia
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Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri
“Capacimetro per diodi polarizzati” I
REQUISITI:




Range: da 0.1pF a 20pF
Risoluzione: 5fF
Bassi parassitismi
Polarizzazione dello SPAD
Tensione linearmente dipendente dal valore della capacità
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“Capacimetro per diodi polarizzati” II
Analisi circuitale
Guadagno ideale
 Due zeri nell’origine
 Ad alte frequenze:
Guadagno reale con banda limitata da CAK
Caratteristiche:
 Frequenza di 50kHz
 Ingresso di ampiezza 0.1V con conseguente uscita da 15mV a 3V
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Presentazione dello SPADCapMeter
Svantaggi :
•
Generatore di funzioni;
•
Oscilloscopio;
•
Nessun interfacciamento;
•
Necessità programma di
calcolo.
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SPADCapMeter
Front-end
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Convertitore A/D
Analogico
Capacimetro
Generatore di
sinusoide
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Alimentazione
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Microcontrollore
Generazione Sinusoide
Microcontrollore
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Filtro
Passa Banda
Filtro a reazione multipla
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Front-end analogico
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5µs
Input
SOC
Comparatore
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Ritardatore
Scelta Convertitore A/D
Requisiti
0.1V
x 5fF = 0.7mV
• ∆V =
700fF
• fSAMPLE > 50ksps
• SOC attivo basso
LTC1417A
4.096V
= 250μV
• ∆V
r =
14
2
• fSAMPLE = 400ksps max
• Comunicazione SPI
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Microcontrollore – Hardware
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Gestione SPADCapMeter
USB
Vantaggi USB:
Protocollo largamente
diffuso;
 Plug and Play;
Alta velocità di
trasferimento;
Autoalimentazione.
PWM
CORE
SPI
PIC18F4550
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Firmware
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Blocchi principali:
– Inizializzazione hardware:
• SPI
• Timer
• USB
– Gestione USB
– Acquisizione ed elaborazione:
• Filtro mediano + media
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Alimentazione
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USB: fornisce 5V @ 500mA MAX;
SPADCapMeter:

– Assorbe 75mA;
– Necessita di ±5V
Circuito a pompa di carica:
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Realizzazione pratica
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Alimentazione
Front-end
Analogico
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Interfaccia Labview
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Due tipi di misure:
– Misura singola
– Misura caratteristica
Due pannelli ausiliari
– Taratura
– Cparassita
• Abilitazione correzione
• Caricamento file di taratura di
default
• Impostazioni di esportazione dei
files
Pannello delle Opzioni
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Misure
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Obiettivo: Caratterizzazione di uno
SPAD in silicio con VB=17V
Taratura:
Verifica caratteristica
Misura Cparassite
Caratteristica
2.214pF ± 0.5fF
Vp - Cak
Ccorrezione data da
Cbk serie Cba ~ Cbk
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Conclusioni
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Sviluppato sistema per misura di capacità
rivelatori SPAD;
Range di Misura tra 0.1pF – 20pF;
Misura automatizzata mediante microcontrollore;
Interfaccia USB e gestione via Labview.
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Prospettive
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Alimentatore ±15V per operazionali scheda
capacimetro
Generatore tensione di bias per SPAD
Aggiunta funzionalità al software
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Progetto e realizzazione
di un capacimetro con microcontrollore
per fotodiodi SPAD
Grazie per l’attenzione
Tamborini Davide e Ruggeri Alessandro
Relatore: Prof. Alberto Tosi
Correlatore: Ing. Alberto Dalla Mora
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Gated – Mode a prelievo differenziale
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Studio Capacimetro
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Filtro Passa Banda
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Front-end analogico II
Scelta soglie:
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Durata impulso monostabile :
In corrispondenza del massimo valore dell’ingresso si ha lo Start Of Conversion
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Filtraggio
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Codice C
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Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri
Funzionamento interfaccia
Blocco fondamentale: getM.vi
Esempio di acquisizione: misura caratteristica
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Misure
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Caratterizzazione di uno SPAD al silicio
con VB=17V
1. Taratura dello strumento con tre condensatori
di precisione da 0.7pF, 1.1pF e 4.3pF;
2. Controllo della taratura con un quarto
condensatore da 2.2pF tramite misura singola;
3. Rilevazione delle capacità parassite dello
SPAD, misurando CAK, CBK e CBA con Vp=0;
4. Caratterizzazione dello SPAD usando una Vp
da 0V a 15V con passi di 1V
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