Design of prototype readout integrated circuit for time-of-arrival and time-over-threshold measurement for hybrid pixel X-ray detectors in 28 nm CMOS

• Autorzy: Kadłubowski Łukasz A. , Kmon Piotr

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2022.02.23

Warianty tytułu

PL

Projekt prototypowego układu odczytowego do pomiaru czasu uderzenia oraz energii fotonów w hybrydowych pikselowych detektorach promieniowania X w technologii CMOS 28 nm

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper introduces the design and simulation results of a chip prototype dedicated for time-of-arrival (ToA) and time-over-threshold (ToT) measurement of X-ray photons. It consists of 8×4-pixel matrix with 50 μm pitch. Vernier time-to-digital converter with two ring oscillators is implemented in each pixel and aimed ToA resolution is on the order of tens of picoseconds. The chip may work in ToA/ToT mode or single photon counting mode. It is currently in fabrication.

PL

Artykuł przedstawia projekt i wyniki symulacji prototypowego scalonego układu odczytowego do pomiaru czasu uderzenia (ToA) oraz pośredniego pomiaru energii (ToT) fotonów promieniowania X. Układ zawiera matrycę 8×4 pikseli. Piksel ma wymiary 50 μm × 50 μm i zawiera przetwornik czas-cyfra w architekturze Verniera z dwoma oscylatorami pierścieniowymi. Planowana rozdzielczość pomiaru ToA jest rzędu dziesiątek pikosekund. Układ może pracować w trybie ToA/ToT lub w trybie zliczania pojedynczych fotonów. Aktualnie jest w produkcji.

Słowa kluczowe

EN

time of arrival; time-over-threshold; vernier time-to-digital converte; hybrid pixel detectors

PL

czas uderzenia; pośredni pomiar energii; przetwornik czas-cyfra w architekturze Verniera

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 2
• Strony: 106--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kadłubowski Łukasz A.

• AGH University of Science and Technology, Department of Measurement and Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7973-8021

autor

Kmon Piotr

• AGH University of Science and Technology, Department of Measurement and Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2588-6763

Bibliografia

• [1] Ballabriga R., Campbell M., Llopart X., Asic developments for radiation imaging applications: The medipix and timepix family,Nucl. Instr. Meth. A, 878 (2018), 10-23
• [2] Llopart X., Alozy J., Ballabriga R., Campbell M., Egidos N., Fernandez J.M., Heijne E., Kremastiotis I., Santin E., Tlustos L., Sriskaran V., Poikela T., Study of low power front-ends forhybrid pixel detectors with sub-ns time tagging, J. Instrum., 14 (2019), n.1, C01024
• [3] Kruth A., Brezina C., Celik S., Gromov V., Kluit R., Zappon F., Desch K., Graaf H. van der, GOSSIPO-3: measurements on the prototype of a read-out pixel chip for Micro-Pattern Gaseous Detectors, J. Instrum., 5 (2010), n.12, C12005
• [4] Llopart X., Timepix4 detectors, 2nd MUonE Collaboration Meeting at CERN, 2020, presentation available online: https://indico.cern.ch/event/876275/contributions/3729426/
• [5] Drozd A., Maj P., Problemy korekcji w hybrydowych pikselowych detektorach promieniowania X, Przegląd Elektrotechniczny, 90 (2014), nr.5, 86-89
• [6] Kłeczek R., Gryboś P., Szczygieł R., Maj P., Single photon-counting pixel readout chip operating up to 1.2 Gcps/mm2 for digital X-ray imaging systems, IEEE J. Solid-State Circuits, 53 (2018), n.9, 2651-2662
• [7] Kmon P., Kaczmarczyk P., Kadłubowski Ł., Design of analog pixels front-end active feedback, J. Instrum., 13 (2018), P01018
• [8] Kmon P., Deptuch G., Fahim F., Grybos P., Maj P., SzczygielR., Zimmerman T, Active feedback with leakage current compensation for charge sensitive amplifier used in hybrid pixel detector, IEEE Trans. Nucl. Sci., 66 (2019), 664-673
• [9] Carini G.A., Deptuch G.W., Fahim F., Kadlubowski L.A., Klabbers P., Lauxtermann S., Petterson P.-O., Zimmerman T., Hybridized MAPS with an in-pixel A-to-D conversion readout ASIC, Nucl. Instruments Methods A, vol. 935, pp. 232–238, 2019.
• [10] Kadłubowski Ł.A., Kmon P., Pomiar krótkich odcinków czasu z wykorzystaniem przetwornika czas-cyfra w architekturze Verniera z oscylatorami pierścieniowymi w technologii CMOS 28 nm, Przegląd Elektrotechniczny, 12 (2020), 115-118 (in Polish)
• [11] Kadlubowski L.A., Kmon P., Test and Verification Environment and Methodology for Vernier Time-to-Digital Converter Pixel Array, 24th Int. Symp. Design Diagnostics Electronic Circuits & Systems (DDECS), 2021, 137-140
• [12] Kadlubowski L.A., Kmon P., Vernier Time-to-Digital Converter with Ring Oscillators for in-Pixel Time-of-Arrival and Time-over-Threshold measurement in 28 nm CMOS, 22nd Int. Workshop Radiation Imaging Detectors, 2021, to be presented
• [13] Nolet F., Roy N., Carrier S., Bouchard J., Fontaine R., Charlebois S.A., Pratte J.-F., 22 μW, 5.1 ps LSB, 5.5 ps RMS jitter Vernier time-to-digital converter in CMOS 65 nm for single photon avalanche diode array, Electron. Lett., 56 (2020), n.9, 424-426
• [14] Roy N., Nolet F., Dubois F., Mercier M., Fontaine R., Pratte J., Low Power and Small Area, 6.9 ps RMS Time-to-Digital Converter for 3-D Digital SiPM, IEEE Trans. Radiation Plasma Medical Sci., 1 (2017), n.6, 486-494