Thèse Année : 2024

Study of asynchronous readout architectures for CMOS pixels sensors

Étude d'architectures de lecture asynchrone intégrée pour capteurs à pixels CMOS

Jean Soudier
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1551808
  • IdRef : 28536152X

Résumé

Monolithic CMOS pixel sensors are used for the tracking of charged particles in subatomic physics. They offer excellent spatial resolution and rapid information processing. The evolution of experiments requires an increase in processing speed while imposing limits on sensor power consumption. This thesis develops an architecture for reading an array of pixels using asynchronous logic with rapid response and minimal energy dissipation. The algorithm is based on a cascade of asynchronous controllers that arbitrate signal transmission from N inputs to a single output. Several configurations are studied for pixel sizes ranging from 18 to 30 μm and controller sizes ranging from 2:1 to 1024:1. Simulations on realistic physical signals corresponding to rates of 100 MHz/cm2 or more, demonstrate the possibility of reconstructing positions on the matrix and arrival times in lessVersion septembre 2024 5 / 4than 20 nanoseconds for a power consumption of less than 10 mW/cm². The design of an initial prototype is also presented.

Les capteurs monolithiques à pixels CMOS sont exploités pour la trajectométrie des particules chargées en physique subatomique. Ils offrent une excellente résolution spatiale et un traitement rapide de l’information. L’évolution des expériences exige une augmentation de la vitesse de traitement tout en imposant des limites sur la consommation des capteurs. Cette thèse développe une architecture de lecture d’une matrice de pixels exploitant une logique asynchrone avec une réaction rapide et une dissipation minimale d’énergie. L’algorithme s’appuie sur la cascade de contrôleurs asynchrones qui arbitrent la transmission du signal de N entrées vers une seule sortie. Plusieurs configurations sont étudiées pour des pixels de taille variant de 18 à 30 μm et des contrôleurs de taille variant de 2 :1 à 1024 :1. Les simulations sur des signaux physiques réalistes correspondant à des taux de 100 MHz/cm2 ou plus, démontrent la possibilité de reconstruire les positions sur la matrice et les temps d’arrivée en moins de 20 nanosecondes pour une consommation inférieure à 10 mW/cm². La conception d’un premier prototype est également présentée.

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  • HAL Id : tel-05111831 , version 1

Citer

Jean Soudier. Study of asynchronous readout architectures for CMOS pixels sensors. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Strasbourg, 2024. English. ⟨NNT : 2024STRAE047⟩. ⟨tel-05111831⟩
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