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Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD

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. La capacità dello SPAD Funzionamento del capacimetro Taratura e misure sperimentali

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Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore per fotodiodi SPAD

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Presentation Transcript

  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

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