Conception et intégration d'une chaîne de lecture faible bruit en technologie CMOS pour un système TEP à base d'APD dédié à l'imagerie du petit animal

Design and integration of a low-noise readout chain in CMOS technology for APD-based sall-animal PET imaging

• Auteur / Autrice : Xiaochao Fang
• Direction : Yann Hu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie pour le diagnostic en médecine vétérinaire

Tomographie par émission

Capteurs (technologie)

MOS complémentaires

Circuits intégrés à la demande

Résumé

Cette thèse présente mon travail de recherche sur la conception d'une chaîne de lecture dédiée à la TEP (Tomographie à Emission de Positons) fondée sur l'APD (Avalanche Photo Diode) pour les petits animaux. Le laboratoire IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, UMR 7178) est en train de développer un système d'imagerie multimodale dénommé AMISSA (A Multimodality Imaging System for Small Animal) dédié au petit animal. L'AMISSA est composé par un micro imageur TDMX (micro TomoDensitoMétrie X), un micro imageur TEMP (Tomographie d'Emission Mono Photonique) et un micro imageur TEP. Le TDMX et le TEMP ont été réalisés. L'imagerie TEP permettra d'ajouter la modalité manquante au banc d'imagerie. Deux prototypes ont été développés afin de réaliser la chaîne de lecture complète dédiée à l'APD. Le premier prototype APD Chip est un circuit bas bruit de dix voies. Chaque voie est constituée d'un CSA (Charge Sensitive Amplifier), d'un CR-(RC)2 « shaper » et d'un « buffer » analogique. Le test montre que l'ENC (Equivalent Noise Charge) à l'entrée est égal à 275 ± 2 e- + 10 e-/pF pour un « shaping time » de 136 ns. Le deuxième prototype PETROC est un microcircuit mixte qui comprend un PDH (Peak Detect and Hold) d'huit voies et un TDC (Time-to-Digital Converter) de cinq voies. L'erreur sur le pic détecté est inférieure à 0. 7%. Une interpolation multi-niveaux est incluse dan la conception du TDC afin d'obtenir une plage de mesure de 10 µs et un pas de 20 ps. Dans ce texte, des analyses théoriques et des prototypes sont présentés, ainsi que la conception des circuits. Les résultats des tests du premier prototype sont également exposés.

This thesis presents my research work on the conception of a readout chain dedicated to the APD (Avalanche Photo Diodes)-based PET (Positron Emission Tomography) imaging for small animal. The PET imaging allows the conjunction of its modality with the micro CT (X-ray Computerized Tomography) and micro SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) imaging which have been developed at IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, UMR 7178). These three imaging compose a multi-modality imaging system for small animal (AMISSA). Two prototypes have been designed in order to finally realize the complete readout chain. The first one (called APD Chip) is a ten-channel low noise front-end circuit. Every channel consists of a Charge Sensible Amplifier (CSA), a CR-(RC)2 shaper, and an analogue buffer. The Equivalent Noise Charge (ENC) in input from test is equal to 275 ± 2 e- + 10 e- /pF for a shaping time of 136 ns. The second prototype PETROC is a mixed circuit. It comprises an eight-channel Peak Detect and Hold (PDH) circuit and a five-channel Time-to-Digital Converter (TDC). The simulation shows that the error is less than 0. 7% over the whole dynamic range. A multi-level interpolation was implemented in the TDC design to obtain a measurement range up to 10 µs and a bin size of 20 ps. In this thesis, the prototypes are presented for both their theoretical analyses and their circuit designs. The test results of the first prototype are also presented.