Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD Davide Tamborini...

Progetto e realizzazione

di un capacimetro con microcontrollore

per fotodiodi SPADDavide Tamborini e Alessandro Ruggeri

Relatore:

Correlatore:

Prof. Alberto Tosi

Ing. Alberto Dalla Mora

Davide Tamborini e Alessandro RuggeriMilano, 22 Luglio 2009

2Sommario

La capacità dello SPAD

Funzionamento del capacimetro

Taratura e misure sperimentali

Conclusioni e prospettive


3Il fotorivelatore SPAD

Rivelazione del fotone:

Confronto APD – SPAD :


4Circuiti di spegnimento passivi

Free RunningGated – Mode

Errori di rivelazione

Alzare Soglia


5“Capacimetro per diodi polarizzati” I

REQUISITI:

Tensione linearmente dipendente dal valore della capacità

Range: da 0.1pF a 20pF Risoluzione: 5fF Bassi parassitismi Polarizzazione dello SPAD


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


7Presentazione dello SPADCapMeter

Svantaggi :

• Generatore di funzioni;

• Oscilloscopio;

• Nessun interfacciamento;

• Necessità programma di calcolo.


8SPADCapMeter

AlimentazioneFront-end

AnalogicoConvertitore A/D

MicrocontrolloreGeneratore di

sinusoideCapacimetro


9Generazione Sinusoide

Filtro a reazione multipla

MicrocontrolloreFiltro

Passa Banda


10Front-end analogico

InputComparatore Ritardatore

SOC

5µs


11Scelta Convertitore A/D

Requisiti

• ∆V =0.1V

700fFx 5fF = 0.7mV

• fSAMPLE > 50ksps

• SOC attivo basso

LTC1417A

• r∆V =4.096V

214= 250μV

• fSAMPLE = 400ksps max

• Comunicazione SPI


12Microcontrollore – Hardware

Gestione SPADCapMeter

SPI

USB PWM

CORE

PIC18F4550

Vantaggi USB:Protocollo largamente diffuso; Plug and Play;Alta velocità di trasferimento;Autoalimentazione.


13Firmware

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


15Realizzazione pratica

Alimentazione

Front-end

Analogico

Con

vert

itore

A/D

Mic

roco

ntro

llore

Gen

erat

ore

di

sinu

soid

e


16Interfaccia Labview

Due tipi di misure:– Misura singola– Misura caratteristica

Due pannelli ausiliari– Taratura– Cparassita

Pannello delle Opzioni

• Abilitazione correzione

• Caricamento file di taratura di default

• Impostazioni di esportazione dei files


17Misure

Taratura:

Verifica caratteristica

Misura CparassiteCaratteristica

Vp - Cak2.214pF ± 0.5fF

Ccorrezione data da Cbk serie Cba ~ Cbk

Obiettivo: Caratterizzazione di uno

SPAD in silicio con VB=17V


18Conclusioni

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.


19Prospettive

Alimentatore ±15V per operazionali scheda capacimetro

Generatore tensione di bias per SPAD

Aggiunta funzionalità al software


Progetto e realizzazione

di un capacimetro con microcontrollore

per fotodiodi SPAD

Tamborini Davide e Ruggeri Alessandro

Relatore:

Correlatore:

Prof. Alberto Tosi

Ing. Alberto Dalla Mora

Grazie per l’attenzioneGrazie per l’attenzione


21 Gated – Mode a prelievo differenziale


22Studio Capacimetro


23Filtro Passa Banda


24Front-end analogico II

In corrispondenza del massimo valore dell’ingresso si ha lo Start Of Conversion

Scelta soglie:Durata impulso monostabile :


25Filtraggio


26Codice C


27Funzionamento interfaccia

Blocco fondamentale: getM.vi

Esempio di acquisizione: misura caratteristica


28Misure

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

Caratterizzazione di uno SPAD al silicio

con VB=17V

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