CIRCUITO EN MODO CORRIENTE DE PRIMERA ETAPA FRONTAL PARA LA LECTURA DE SENSORES Y CIRCUITO INTEGRADO.

Circuito en modo corriente de primera etapa frontal para la lectura de sensores y circuito integrado 5 Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un circuito en modo corriente de primera etapa frontal para la lectura de sensores, particularmente para fotosensores rápidos. Un segundo aspecto de la invención se refiere a un circuito integrado que comprende el circuito en modo corriente de primera etapa frontal. 1O ESTADO DE LA TÉCNICA 15 20 25 Actualmente hay muchos circuitos para la lectura de fotosensores ultra sensibles como el tubo fotomultiplicador ("photomultiplier tube", PMT) o el fotomultiplicador de silicio ("silicon photomultiplier", SiPM) . Para explotar completamente las prestaciones de los PMTs o los SiPMs son deseables las siguientes características: alta velocidad y baja impedancia de entrada, alta sensibilidad y gran rango dinámico (que requiere un bajo nivel de ruido) y operación a bajo voltaje (requerido para implementaciones en circuito integrado) , que se consigue trabajando en modo corriente. Recientemente, con la aparición de los fotomultiplicadores de estado sólido (SiPM, MPPC, GAPDs, etc) el interés en circuitos en modo corriente ha crecido especialmente para aplicaciones de bajo voltaje y alta velocidad. Las propuestas más relevantes respecto a los antecedentes de la presente invención se describen a continuación. Amplificadores en modo corriente para detección de radiación 30 Los amplificadores sensibles a la carga ("charge sensitive preamplifiers", CSP) han sido usados tradicionalmente como circuitos frontales para la lectura de detectores de radiación de muchos tipos (semiconductores, fotosensores, gaseosos, etc) [1 ], [2], [3]. Sin embargo, los CSPs están bastante limitados en velocidad y por tanto no son óptimos para alcanzar buenas resoluciones temporales o para minimizar el efecto del apilamiento. 35 Por esta razón, en muchas aplicaciones el pulso de corriente generado por el PMT o SiPM es convertido a tensión mediante una pequeña resistencia y leído después por un amplificador de tensión. Aunque esto funciona en esas aplicaciones no es óptimo en términos de ruido dado que esta resistencia impone un compromiso entre ruido y BW. Los amplificadores de transimpedancia en bucle cerrado tienen una mejor relación señal ruido (SNR) , no obstante su ancho de banda está limitado típicamente por 5 problemas de estabilidad y su rango dinámico por el del amplificador del bucle cerrado. Realizar la lectura en modo corriente con una etapa de baja impedancia de entrada es una mejor solución, típicamente mediante una puerta común o 1º base común. Después de esto la señal es procesada dentro del chip. Esta solución ofrece diversas ventajas: - Bajo ruido y alta velocidad pueden lograrse simultáneamente. - Una baja impedancia de entrada puede ser útil para mejorar la resolución temporal, especialmente para algunos SiPM [1], y ayuda a minimizar los 15 problemas de diafonía e interferencia. - Ayuda a preservar un buen rango dinámico incluso para tecnológicas profundamente submicrónicas donde la tensión de alimentación está limitada a 1 o 2 V. 20 Los circuitos en modo corriente se usan en física de altas energías ("High Energy Physics", HEP) en grandes aceleradores [4], [5], [8], en imagen médica [1], [6], [7], [8], y en comunicaciones ópticas (para la lectura de fotodiodos (PO) o PO de avalancha (APD) [9], [19], [20]. 25 Alto rango dinámico Los detectores para grandes colisionadores de HEP tienen que tratar con un enorme rango dinámico, especialmente los subdetectores de calorimetría donde se requieren un rango dinámico de más de 15 bits. Esto típicamente se 30 consigue usando las siguientes dos técnicas: (1) Dado que, para un circuito integrado, la máxima señal está típicamente limitada por la máxima tensión de alimentación, es crucial el diseño de una electrónica de bajo ruido. Un ejemplo de amplificador en modo corriente de bajo ruido es [4]. 35 (2) Se usan sistemas con dos o varias ganancias: la señal detector se divide

o replica y se aplican diferentes ganancias a cada camino, que tiene un menor rango dinámico (usualmente 12 bits son suficientes) . Los siguientes dos puntos importantes deben ser considerados: (i) Aunque para calorimetría se ha reportado un rango dinámico de 16 o 17 bits, el ancho de banda requerido está por debajo de 100MHz. Dado que el 5 ruido es proporcional a la raíz cuadrada del ancho de banda esto quiere decir que existe un claro compromiso entre el ruido (rango dinámico) y el ancho de banda. Por ejemplo, tomando un preamplificador [4], con muy bajo ruido referido a la entrada (1 OpA/sqrt (Hz) ) y suponiendo un BW de 500 M Hz, el rango dinámico quedaría limitado a unos 14 bits. 1º (ii) La técnica de división de la señal se realiza o bien en el dominio del voltaje, típicamente mediante divisores resistivos o amplificadores con diferentes ganancias ([1 0], [11], [12] o mediante transistores replica [15]) ; o bien en el dominio de la corriente mediante espejos de corriente ([13], [6]) . 15 También es necesario un gran ancho de bando para algunas aplicaciones médicas como la tomografía por computador ([1], [14]) o para comunicaciones ópticas ([11 ]) . Medidas de tiempo y energía para imagen médica 20 Tanto en HEP, como en astrofísica y en imagen médica, se requieren frecuentemente medidas temporales precisas con resoluciones inferiores a los 100 ps [1], especialmente para técnicas de tiempo de vuelo ("Time-of- Fiight", TOF) ) 25 Desde hace tiempo se ha reconocido [16] que el ruido estadístico en la tomografía por electrón positrón ("positron emission tomography", PET) se puede reducir mediante la medida precisa de la diferencia en el tiempo de llegada de los fotones de 511 keV provenientes de la aniquilación del 30 positrón. Se están desarrollando diversos circuitos integrados para TOF-PET [8], [1 ]. La señal de tiempo se obtiene habitualmente después de la discriminación de la señal de entrada, por tanto es el jitter de la señal discriminada lo que limita 35 la resolución temporal de la electrónica. El jitter aleatorio (at) (correlacionado

con el ruido) es proporcional al ruido e inversamente proporcional a la

pendiente de la señal dS/dt, por tanto, inversamente proporcional al BW de la

señal: 5 (1) En consecuencia, tanto el SNR (o S/N) como el ancho de banda deben ser optimizados para alcanzar la mínima resolución temporal. Los circuitos en 1º modo corriente pueden ser útiles para lograr esto. Como se ha discutido anteriormente, los circuitos en modo corriente tienen un mayor BW, porque todos los nodos de señal son nodos de baja impedancia. 15 En el caso de los SiPM, la corriente de pico se incrementa al disminuir la impedancia de entrada del amplificador [1]. Esto mejora el término dS/dt. Sin embargo, esta tendencia limita el rango dinámico de los circuitos en modo corriente habituales. Hay la siguientes dos aproximaciones típicas: - Permitir la saturación del preamplificador y realizar medidas de energía 20 usando técnicas de tiempo sobre umbral ("Time-over-Threshold", ToT) [8]. - Crear un camino doble, uno para medidas temporales y otro, con menor ganancia, para medidas de energía. Sin embargo, las limitaciones en el rango dinámico están presentes todavía en este tipo de soluciones en modo corriente (en la primera etapa frontal) [6]. 25 Como se ha afirmado antes, [13], i.e. la solicitud de patente W02009046151, describe un amplificador que usa la técnica de división de la señal mediante espejos de corriente mencionada anteriormente. En particular, incluye un espejo de corriente de entrada que replica la corriente de entrada y la envía a 30 espejos secundarios de respectivas alta y baja ganancias. Para altas corrientes de entrada algunos transistores del espejo de corriente de entrada entrarían en la región óhmica y por tanto la replica de corriente precisa cesaría. Se podría alegar que se podría incrementar el rango dinámico aumentado la W/L de los transistores del espejo. Sin embargo, esto conduce 35 típicamente a una degradación del ancho de banda. En resumen, existe un

claro compromiso entre rango dinámico y ancho de banda...

5 1º 1. Circuito en modo corriente de primera etapa frontal para la lectura de sensores, que comprende una etapa de entrada para dividir una señal de entrada de corriente en al menos dos señales de corriente de salida, caracterizado porque la etapa de entrada comprende una etapa en base/puerta común formada por una pluralidad de transistores (Oo, ... On) dispuestos formando al menos dos grupos de manera que cada uno de ellos proporciona, en un respectivo nodo de salida (a, b) , una de las al menos dos señales de corriente de salida. 15 20 2. Circuito según la reivindicación 1, donde el primero de los al menos dos grupos de transistores (Oo, ...On) , proporciona, en su nodo de salida (a) , una corriente mayor que un segundo grupo en su nodo de salida (b) . 3. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer grupo comprende n ramas de transistores en paralelo, cada una formada por al menos un transistor (01, ... On) , y el segundo grupo comprende al menos una rama de transistor formada por al menos un transistor (Oo) . 4. Circuito según la reivindicación 3, donde los transistores (Oo, ...On) son transistores iguales, o sustancialmente iguales, y apareados, teniendo puntos de operación iguales o próximos. 25 5. Circuito según la reivindicación 4, donde unos primeros extremos de todas las ramas de transistores están mutuamente conectados a un punto común en el que entra la señal de corriente de entrada. 30 6. Circuito según la reivindicación 5, donde unos segundos extremos de las n ramas de transistores en paralelo están conectados al nodo de salida (a) del primer grupo, y un segundo extremo de la rama de al menos un transistor está conectado al nodo de salida (b) del segundo grupo. 35 7. Circuito según la reivindicación 6, donde cada una de las ramas de transistores está formada por un transistor (Oo, ...On) , siendo los primeros extremos los emisores/fuentes de los transistores (Oo, ...On) y siendo los segundos extremos los colectores/drenadores de los mismos, o viceversa, estando las bases/puertas de todos los transistores (Oa, ...On) conectadas entre sí. 8. Circuito según la reivindicación 6, donde cada una de las ramas de 5 transistores está formada por un primer transistor (Oa, ...On) y un segundo transistor o transistor cascado (Oca, ...Ocn) conectados en serie, y donde: - los primeros extremos son los emisores/fuentes de los primeros transistores (Oa, ...On) y los segundos extremos son los colectores/drenadores de los segundos transistores (Oca, ...Ocn) , o 1º -los primeros extremos son los colectores/drenadores de los primeros transistores (Oa, ...On) y los segundos extremos son los emisores/fuentes de los segundos transistores (Oca, ...Ocn) . 9. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, donde las ramas de 15 al menos un transistor comprenden solamente un transistor. 1O. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, donde la etapa de base/puerta común comprende un circuito de realimentación de tensión o corriente para disminuir la impedancia de entrada de la misma. 20 11. Circuito según la reivindicación 1 O, donde el circuito de realimentación de tensión comprende un amplificador de error (A) de gran ancho de banda con su entrada conectada al punto común en el que la señal de corriente entra, y con su sal ida conectada a las bases/puertas de todos los transistores 25 (Oa, ...On) . 12. Circuito según la reivindicación 1 O, donde el circuito de realimentación de corriente comprende un transistor en base/puerta común (OF) y un amplificador diferencial de transimpedancia (TIA) de gran ancho de banda, 30 donde el emisor/fuente del transistor en base/puerta común (OF) está conectado al punto común en el que la señal de corriente entra, las entradas negativa y positiva del amplificador diferencial de transimpedancia (TIA) de gran ancho de banda están respectivamente conectadas al colector/drenador y base/puerta del transistor en base/puerta común (OF) , y su salida está 35

conectada a las bases/puertas de todos los transistores (Oa, ...On) .

13. Circuito según la reivindicación 2 o cualquiera de las reivindicaciones 3-12 en tanto dependen de la reivindicación 2, que además comprende al menos una unidad de ganancia alta con una entrada conectada al nodo de salida (a) del primer grupo y una unidad de ganancia baja con una entrada conectada al nodo de salida (b) del segundo grupo.

14. Circuito según la reivindicación 13, donde las unidades de ganancia alta y baja son espejos de corriente formados por al menos dos respectivos transistores (M1, M2) para, respectivamente, copiar la corriente que procede de los nodos de salida (a, b) .

15. Circuito según la reivindicación 14, donde al menos la unidad de ganancia alta comprende un circuito de control para prevenir el malfuncionamiento de la etapa en base/puerta común evitando que, en caso de una alta corriente de entrada, los transistores (Oo, ... On;Oco, ... Ocn) de la etapa en base/puerta común entren en la región de saturación, si son BJTs, o en la región óhmica, si son FETs.) .

16. Circuito según la reivindicación 15, que está dispuesto en el espejo de corriente de forma que se evite una variación significativa del voltaje en el nodo correspondiente al colector/drenador del transistor (M1 o M1 e) conectado al nodo de salida (a) del primer grupo de la etapa en base/puerta común, proporcionando un camino alternativo para la parte excesiva de corriente de la alta corriente de entrada.

17. Circuito según la reivindicación 16, que comprende, para proporcionar el camino alternativo, al menos un transistor en base/puerta común (Ocb) con su emisor/fuente conectado al nodo de salida (a) del primer grupo de la etapa en base/puerta común y su colector/drenador conectado a la puerta/base de los transistores del espejo de corriente (M1, M2) .

18. Circuito según la reivindicación 17, que comprende, para proporcionar el camino alternativo, dos transistores conectados como diodos (Ooc1 and Ooc2) con el colector/drenador de uno (Ooc1) de ellos conectado a las fuentes/emisores de los transistores (M1, M2) del espejo de corriente y el emisor/fuente del otro (Ooc2) conectado a las puertas/bases de los transistores (M1, M2) del espejo de corriente.

5 19. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18, donde cada uno de los espejos de corriente comprende transistores cascado (M 1e, M2c) , cada uno de ellos conectado en serie a uno respectivo de los transistores del espejo de corriente (M1, M2) . 1º 15 20. Circuito según la reivindicación 19 cuando depende de la reivindicación 16, que comprende además, para proveer el camino alternativo, un transistor (Ooc1) con su colector/drenador conectado a las fuentes/emisores de los dos transistores del espejo de corriente (M1, M2) , su emisor/fuente conectado a las puertas/bases de los dos transistores del espejo de corriente (M1, M2) , y su base/puerta conectada al drenador/colector del transistor (M2) de los dos transistores (M1, M2) del espejo de corriente que no está conectado al nodo de salida (a) del primer grupo de la etapa en base/puerta común o de un tercer transistor (M3) conectado en paralelo a los dos transistores (M1, M2) con su puerta/base conectada a las de los mismos. 20 21. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 20, donde las salidas de los espejos de corriente están conectadas a las entradas de respectivos dispositivos de una etapa frontal proporcionando caminos de lectura con diferentes ganancias. 25 22. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 20, donde la salida del espejo de corriente de ganancia alta está conectada a una entrada de una unidad de medidas de tiempo, y al menos la salida del espejo de corriente de ganancia baja está conectada a una entrada de una unidad de medida de energía, perteneciendo las unidades de medida a un sistema de lectura. 30 23. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde al menos parte de los transistores (Oo, ... On; Oco, ... Ocn; M1, M2; M1c, M2c; Ooc1, Ooc2; Ocb) son transistores FET. 35

24. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde al menos parte de los transistores (Oo, ... On; Oco, ... Ocn; M1, M2; M1c, M2c; Ooc1, Ooc2; Ocb) son transistores BJT.

25. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos un preamplificador.

26. Circuito integrado que comprende el circuito en modo corriente de primera etapa frontal tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

27. Circuito integrado según la reivindicación 26, que está implementado en tecnología CMOS.