Progetto di un ASIC per un dosimetro in diamante monocristallino

Abstract

Il progetto DIARAD dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) nasce dalla cooperazione delle sezioni INFN delle Università di Roma Tre, Roma Tor Vergata e dell’Università di Torino, al fine di realizzare un dosimetro costituito dall’elemento sensibile in diamante e dall’elettronica di lettura integrata su silicio. Nello specifico la sezione di Roma Tre si è occupata della progettazione elettronica, la sezione di Tor Vergata dello sviluppo del sensore in diamante e la sezione di Torino di effettuare misure sui primi esemplari del sensore. Nel mio lavoro di dottorato mi sono occupato dello sviluppo di un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) atto ad integrare le correnti provenienti dal sensore in diamante, nonché del progetto del banco di prova per eseguirne le verifiche funzionali. Nella fase preliminare, in collaborazione con la sezione di Roma Tor Vergata, ho definito i requisiti di progettazione in termini di intervallo di correnti, durata del tempo di integrazione e numero di canali di acquisizione. Successivamente mi sono dedicato al progetto dell’ASIC, partendo da una analisi della letteratura inerente per verificare quali tipi di canali di acquisizione fossero più idonei per l’applicazione come dosimetro. Ho definito due tipologie di elettronica di lettura, la prima dedicata all’acquisizione delle correnti durante il funzionamento con dose tipica dei piani di trattamento (di norma 1 pA – 200 pA); la seconda l’ho invece progettata in modo da avere la possibilità di valutare le correnti di buio del sensore (tipicamente minori di 1pA), al fine di poterne ottenere una piena caratterizzazione anche senza l’ausilio di strumentazione esterna (elettrometri). All’interno del circuito integrato ho previsto un generatore di corrente capace di generare correnti dell’ordine delle centinaia di fA (1 _ 10ı15A), per poter verificare, in una prima fase di test, il funzionamento dei canali di integrazione senza collegare il sensore in diamante all’ASIC. Per questo lavoro di dottorato ho utilizzato la tecnologia a 0.18um della UMC con cui ho sviluppato tutte le librerie di componenti, sia analogici che digitali, necessarie allo sviluppo di un ASIC: dalle singole porte logiche, agli operazionali e ai pad di ingresso/uscita. Il design kit fornito dalla fonderia UMC non è pienamente integrato con l’ambiente Cadence che ho utilizzato per la fase di progettazione e verifica, per cui mi sono occupato dello sviluppo di uno script che consente di realizzare le simulazioni Montecarlo, modificando e predisponendo automaticamente le netlist per l’avvio della simulazione. Nel periodo di tempo necessario alla realizzazione fisica dell’ASIC da parte della fonderia, mi sono dedicato allo sviluppo della scheda di test, realizzata con componenti elettronici commerciali. Questa scheda di test, controllata da una FPGA di tipo Xilinx Spartan III è capace di generare tutti i riferimenti ed i segnali di controllo necessari all’ASIC per il suo corretto funzionamento. Realizzata la scheda di test mi sono dedicato quindi allo sviluppo del programma (firmware) dell’FPGA, progettato con una architettura del tipo a logica cablata. Per acquisire i dati, tramite interfaccia USB, ho realizzato un applicativo in C++ completo di interfaccia grafica e basato sulle librerie grafiche Qt4.2. Tramite il banco di test così realizzato ho potuto effettuare le verifiche funzionali sull’ASIC, che hanno avuto esito parzialmente positivo. Infatti, avendo previsto le protezioni contro le scariche elettrostatiche anche sui pad di ingresso analogici e visti i livelli dei segnali in corrente da dover analizzare, ho riscontrato che le piene funzionalità dell’ASIC sono degradate quando i canali di acquisizione sono collegati al mondo esterno, mentre risultano pienamente funzionanti e con comportamento conforme ai requisiti se lavorano con i segnali di test generati all’interno dell’ASIC stesso. Per questo motivo ho realizzato una seconda revisione del circuito, rimuovendo dai circuiti analogici tutte le protezioni. Inoltre, prendendo spunto da questo problema, ho progettato e aggiunto sullo stesso chip un circuito per correggere le correnti di perdita introdotte dai dispositivi di protezione. Questo circuito è costituito da una rete di bilanciamento delle protezioni stesse che è possibile regolare per mezzo di due DAC. Ho terminato quindi il mio lavoro di dottorato inviando alla fonderia la seconda revisione dell’ASIC. In base alla validità del progetto DIARAD, è stato richiesto ed ottenuto un finanziamento PRIN con titolo di ricerca Dosimetri a base di diamante sintetico monocristallino per applicazioni in radioterapia clinica.