R2 - Dipartimento di Fisica G. Occhialini

Dottoranda: Federica Resta
Ciclo: XXIX
Attività di ricerca dell’anno 2015
Nel secondo anno di dottorato sono stata coinvolta in tre attività molto importanti per la ricerca scientifica
nel campo della progettazione di circuiti integrati per esperimenti di fisica. Durante il primo anno di
dottorato parte del mio lavoro ha riguardato il design di un front-end elettronico da includere nell’upgrade
previsto a breve per l’esperimento di ATLAS. Questa attività, svolta in collaborazione del gruppo di
elettronica presente al CERN, è stata in parte conclusa durante il secondo anno con la conclusione del layout
e la spedizione del chip alla fonderia per la fabbricazione. L’obiettivo finale sarà la realizzazione di un
circuito integrato affidabile e resistente alle radiazioni che sia in grado di rilevare la presenza dei muoni. Il
chip comprenderà una parte dedicata alla generazione di soglie di tensione e/o corrente e otto canali adibiti
alla rivelazione simultanea di una certa quantità di carica elettrica sotto forma di un segnale in corrente. Il
segnale in corrente viene poi amplificato e processato da una serie di blocchi analogici e digitali. Dal
processing di questo segnale si ricavano informazioni riguardanti sia la presenza o non della carica sia il
quantitativo di energia in essa contenuto. A tal fine è stato importante
o
ridurre al minimo il rumore introdotto dall’elettronica che avrebbe potuto inficiare l’informazione
o
garantire tempi di risposta sufficientemente per avere conversioni carica-tempo affidabili.
Alla fase di progettazione dei vari blocchi ha fatto seguito quella di layout, corrispondente alla definizione del
‘disegno’ che è stato mandato in fonderia per la realizzazione fisica del chip. Le due fasi sono entrambe
fondamentali e richiedono molta attenzione soprattutto nel routing finale. Si prevede di concludere la presente
attività solo fra qualche mese, quando il chip tornerà dalla fonderia e misure di test potranno essere utilizzate
per confermare le simulazioni e/o debuggare errori. La presenza di eventuali errori e/o funzionamenti potrà
richiederà una fase di ottimizzazione del chip e la realizzazione di un nuovo prototipo di test prima della messa
in produzione di un numero elevato di chip.
Altrettanto importante è l’attività di progettazione e realizzazione di un filtro del 4° ordine basato sulla cascata
di due Celle Biquadratiche di tipo Sallen-Key. La tecnologia utilizzata è la CMOS 180nm ed è stata scelta per
i costi relativamente bassi, l’affidabilità e la stabilità dei modelli. Il prototipo in questione è stato progettato e
mandato in fonderia qualche mese fa con l’obiettivo di riuscire a dimostrare che la soluzione proposta limita
effettivamente gli effetti introdotti dalle non idealità dei blocchi principali. Dovendo lavorare con bande
sempre più grandi, la banda e il guadagno finiti dell’operazionale pregiudicano spesso il comportamento fuori
banda dei filtri. A tal fine si è scelto di realizzare ogni cella biquadratica con due percorsi:
o
quello primario include un buffer retroazionato in configurazione Sallen Key ed è utilizzato per
implementare la funzione di trasferimento del secondo ordine
o
quello aggiuntivo include un buffer non retro-azionato che condivide l’ingresso col buffer del
percorso primario.
Il vantaggio è che l’uscita del secondo buffer non è degradata dalla retroazione e complessivamente si riesce
a ‘eliminare’ la presenza di uno dei due zeri fuori banda. Mettendo in cascata due celle biquadratiche così fatte,
è stato possibile avere in simulazione un’attenuazione fuori banda migliorata anche di 40dB. Questo può essere
considerato un miglioramento non indifferente se si considerano anche le performance ottenute in termini di
linearità, rumore, figura di merito. Ovviamente è stato necessario fare delle scelte progettuali di area e consumi
per avere un filtro competitivo in letteratura. L’idea proposta sarà validata con opportuni test e misure una
volta che i chip torneranno dalla fonderia.
Le attività descritte finora erano state in parte iniziate durante il primo anno di dottorato e quindi si sono
concluse in tempi relativamente brevi. L’attività principale si colloca all’interno del progetto ScalTech28
(INFN-Università Milano Bicocca) e prevede la ‘scoperta’ della 28nm e dei dispositivi messi a disposizione
da questa tecnologia scalata. Inizialmente è stato necessario uno studio del nuovo design kit messo a
disposizione per poi passare a simulare schematici e/o layout di singoli dispositivi con forme e/o posizioni
variabili. Il tutto è stato fatto per poter fare una scelta dei dispositivi da utilizzare in base alle specifiche a
disposizione e alle applicazioni. La tecnologia 28nm è stata scelta per la sua resistenza alle radiazioni. Questa
attività si propone infatti di realizzare un sistema di readout per pixel che sia resistente alle radiazioni e
performante, che abbia consumi limitati e che permetta di risparmiare area. Essendo il primo prototipo e non
conoscendo bene il design kit, la scelta è stata quella di sfruttare il primo run per integrare singoli dispositivi
e un canale di lettura che includesse uno stadio di preamplificazione ed uno di comparazione. L’obiettivo finale
sarà confermare con test di misura l’affidabilità dei modelli proposti per poter progettare sistemi integrati
funzionanti.
Pubblicazioni
o
Resta, F., et al. "An improved source-follower based Sallen-Key continuous-time biquadratic cell with
auxiliary path." NORCHIP, 2014. IEEE, 2014.
o
Resta, F., et al. "A 30MHz 28dBm-IIP3 3.2 mW Fully-Differential Sallen-Key 4th-Order Filter with
Out-of-Band Zeros Cancellation", NEWCAS 2015.
Paper Già Accettati che saranno pubblicati nei prossimi mesi
o
H. Kroha, S. Abovyan, A. Baschirotto, V. Danielyan, M. Fras, F. Resta, M. de Matteis, R. Richter, Y.
Zhao, ‘Performance of the new Amplifier-Shaper-Discriminator chip for the ATLAS MDT Chambers
at the HL-LHC’, 2015 IEEE Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Conference (NSS), 31
October – 7 November, San Diego, California
o
M. De Matteis, F. Resta, R. Richter, H. Kroha, M. Fras, Y. Zhao, V. Danielyan, S. Abovyan, A.
Baschirotto, ‘An 8-Channels 0.13µm-CMOS Front-End for ATLAS MDT-Detectors’, IEEE
SENSORS 2015, November 1-4, Busan, South Korea.
o
F. Resta, G. Rota, A. Pezzotta, A. Pipino, A. Baschirotto, ‘IC-PIX28: a 28nm read-out channel for
pixel detector’, ICECS 2015, December 09-09, Cairo, Egypt.
o
A. Pipino, A. Pezzotta, F. Resta, M. De Matteis, A. Baschirotto, ‘A Rail-to-Rail-Input Chopper
Instrumentation Amplifier in 28nm CMOS’, ICECS 2015, December 09-09, Cairo, Egypt.
Scuole e Corsi Frequentati
Dal 23 al 27 Marzo 2015 ho partecipato alla VI Scuola Nazionale “Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle
Alte Energie, Astrofisica, Applicazioni Spaziali e Fisica Medica & RAFDAC 2015” che si è tenuto presso
i Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN - Padova). La scuola si proponeva di fornire nozioni fisiche e/o
ingegneristiche sui sistemi di lettura utilizzati negli esperimenti di fisica ed una panoramica sull’attuale stato
dell’arte in questo ambito di ricerca.
Dal 6 all’8 Maggio 2015 e dall’8 al 10 Settembre 2015 ho partecipato ai corsi “Topics on Microelectronics
2015/1-2” tenuti a Pavia e facenti parte dagli eventi Education dell’IEEE Solid-State Circuits Society.
Un altro corso molto interessante a cui ho partecipato è stato tenuto presso l’Università Milano Bicocca dal
Prof. Alessandro Marchioro. Il corso dal titolo “Electronics for Particle Detectors and Visual Imagers” ha
previsto 8 lezioni durante le quali si è fatto interagire il mondo della fisica con il mondo dell’elettronica da
diversi punti di vista quali la caratterizzazione dei rilevatori, l’elettronica che si deve interfacciare con essi, gli
effetti ed i danneggiamenti provocati dalle radiazioni sull’intero sistema.
Tutti i corsi e le scuole di dottorato sono state scelte in modo da approfondire sia gli aspetti puramente tecnici
inerenti all’elettronica e alla progettazione sia le condizioni operative di utilizzo. La mia attività di dottorato è
orientata alla progettazione e realizzazione di circuiti integrati per gli esperimenti di fisica ed è quindi
fondamentale approfondire e/o cercare particolari soluzioni circuitali che si prestano ad operare con segnali ad
energia variabile ed in presenza di radiazioni non indifferenti. Le scuole ed i corsi seguiti sono stati molto utili
per imparare molte nozioni fisiche che un ingegnere dovrebbe conoscere in fase di progettazione e per
condividere idee e risultati con esperti del settore.
Altrettanto importante è stata la partecipazione alla conferenza “13th IEEE NEWCAS 2015”. Ho avuto la
possibilità di sfruttare tale esperienza per presentare un mio lavoro, per confrontarmi con altri esperti del settore
e per assistere a dei corsi prettamente elettronici che trattavano soluzioni circuitali per svariate applicazioni
(automotive, fisica, telecomunicazioni, sensoristica, ..).