Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD

1. Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD Davide Tamborini e Alessandro Ruggeri Relatore: Correlatore: Prof. Alberto Tosi Ing. Alberto Dalla Mora

2. La capacità dello SPAD Funzionamento del capacimetro Taratura e misure sperimentali Conclusioni e prospettive Sommario

3. Il fotorivelatore SPAD Rivelazione del fotone: Confronto APD – SPAD :

4. Circuiti di spegnimento passivi Free Running Gated – Mode Errori di rivelazione Alzare Soglia

5. “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

6. “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

7. Presentazione dello SPADCapMeter Svantaggi : • Generatore di funzioni; • Oscilloscopio; • Nessun interfacciamento; • Necessità programma di calcolo.

8. SPADCapMeter Front-end Analogico Convertitore A/D Alimentazione Capacimetro Generatore di sinusoide Microcontrollore

9. Generazione Sinusoide Microcontrollore Filtro Passa Banda Filtro a reazione multipla

10. Front-end analogico 5µs Input SOC Comparatore Ritardatore

11. Requisiti 0.1V x 5fF = 0.7mV ∆V = 700fF • r 4.096V = 250μV ∆V = 214 Scelta Convertitore A/D • fSAMPLE > 50ksps • SOC attivo basso LTC1417A • fSAMPLE = 400ksps max • Comunicazione SPI

12. Gestione SPADCapMeter USB PWM CORE SPI Microcontrollore – Hardware Vantaggi USB: • Protocollo largamente diffuso; • Plug and Play; • Alta velocità di trasferimento; • Autoalimentazione. PIC18F4550

13. Firmware Blocchi principali: • Inizializzazione hardware: • SPI • Timer • USB • Gestione USB • Acquisizione ed elaborazione: • Filtro mediano + media

14. USB: fornisce 5V @ 500mA MAX; SPADCapMeter: Assorbe 75mA; Necessita di ±5V Circuito a pompa di carica: Alimentazione 

15. Realizzazione pratica Alimentazione Microcontrollore Convertitore A/D Generatore di sinusoide Front-end Analogico

16. Due tipi di misure: Misura singola Misura caratteristica Due pannelli ausiliari Taratura Cparassita Pannello delle Opzioni Interfaccia Labview Abilitazione correzione Caricamento file di taratura di default Impostazioni di esportazione dei files

17. Taratura: Verifica caratteristica Misura Cparassite CaratteristicaVp - Cak Misure Obiettivo: Caratterizzazione di uno SPAD in silicio con VB=17V 2.214pF ± 0.5fF Ccorrezione data da Cbk serie Cba ~ Cbk

18. 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. Conclusioni

19. Alimentatore ±15V per operazionali scheda capacimetro Generatore tensione di bias per SPAD Aggiunta funzionalità al software Prospettive

20. Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD Grazie per l’attenzione Tamborini Davide e Ruggeri Alessandro Relatore: Correlatore: Prof. Alberto Tosi Ing. Alberto Dalla Mora

21. Gated – Mode a prelievo differenziale

22. Studio Capacimetro

23. Filtro Passa Banda

24. Front-end analogico II Scelta soglie: Durata impulso monostabile : In corrispondenza del massimo valore dell’ingresso si ha lo Start Of Conversion

25. Filtraggio

26. Codice C

27. Blocco fondamentale: getM.vi Esempio di acquisizione: misura caratteristica Funzionamento interfaccia

28. Taratura dello strumento con tre condensatori di precisione da 0.7pF, 1.1pF e 4.3pF; Controllo della taratura con un quarto condensatore da 2.2pF tramite misura singola; Rilevazione delle capacità parassite dello SPAD, misurando CAK, CBK e CBA con Vp=0; Caratterizzazione dello SPAD usando una Vp da 0V a 15V con passi di 1V Misure Caratterizzazione di uno SPAD al silicio con VB=17V