The NEXT experiment is one of the most innovative ones looking for the neutrinoless double beta decay, which finding will answer one of the most important questions in the last years physics: is the neutrino its own antiparticle? Or in other words, is it a Majorana particle? With that purpose NEXT uses a TPC (Time Projection Chamber) filled with enriched xenon gas at high pressure, and two photosensors planes, one on each end. The first plane contains PMTs (PhotoMultiplier Tube), that collect the light emitted by the xenon when an event happens and precisely measures its energy. The second plane is a SiPM (Silicon PhotoMultiplier) matrix that allows to 3D-reconstruct the event track. Both planes together allows NEXT to have a great background rejection, which makes a difference with the other experiments aiming for the neutrinoless double beta decay. In addition, SiPMs are a new technology which nowadays is evolving to, in the future, displace the classical PMTs. For that reason the study of these sensors starts from zero, as there were not previous uses as pixel-tracking, and lead a new path in the physics detectors, for both high and low energy. This thesis is focused on the study and design of the electronics involving the tracking plane, which includes some technical solutions related also with mechanical issues. From the sensors placed inside the detector, the SiPMs, to the front-end electronic boards, there are few elements on the chain; as the support boards for the SiPMs which must satisfy severe outgassing and radiopurity levels. Also the inner and outer cabling has been designed, focusing on obtaining the best signal-noise ratio; and also the feedthrough for the tracking plane, which solved at low cost the huge problem of taking out about 4000 lines from the pressurized xenon to the outside. Finally, one of the most important elements on this chain and the one that this thesis is focused on, is the front-end board. Starting with the experience acquired with the first prototype, NEXT-DEMO, the electronics have been improved, able to condition, integrate and digitize the signals from all the tracking plane SiPMs; allowing the further acquisition and processing through an ATCA-based system (Advanced Telecommunications Computing Architecture). All the elements designed have been produced and assembled on the NEW detector, a large-scale prototype of the final detector, placed at the Laboratorio Subterra'neo de Canfranc, an underground laboratory at the aragonese Pyrenee. / El experimento NEXT es uno de los más innovadores en la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos, cuyo hallazgo daría con la respuesta a una de las cuestiones más importantes de la física en los últimos años: ¿es el neutrino su propia antipartícula? O dicho de otro modo, ¿es una partícula de Majorana? Para ello NEXT hace uso de una TPC (Time Projection Chamber) llena de gas xenón enriquecido a alta presión, y con dos planos de fotosensores, uno en cada extremo. El primero de ellos está formado por PMTs (Photo Multiplier Tube), que recogen la luz generada por el xenón cuando ocurre un evento, y miden la energía de éste. El segundo consiste en una matriz de SiPMs (Silicon PhotoMultipliers) que permiten reconstruir tridimensionalmente la traza de dicho evento. El conjunto de ambos planos de fotosensores otorga al experimento NEXT un gran rechazo a eventos de fondo, lo que marca la diferencia con otros experimentos en busca de la desintegración doble beta sin neutrinos. Además, los SiPMs son una tecnoloía de reciente aparición que en la actualidad está evolucionando a grandes pasos para, en un futuro, desplazar a los fotomultiplicadores clásicos. Por ello el estudio de estos fotosensores parte prácticamente desde cero, ya que no existen aplicaciones previas de su uso como pixel-tracking, y ha permitido abrir un nuevo camino en los detectores de física, tanto de alta como baja energía. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el estudio y diseño de la electrónica involucrada en el plano de reconstrucción de trazas, y que involucran en menor medida dar solución a problemas técnicos de aspecto mecánico. Partiendo de los sensores ubicados dentro del detector, los SiPMs, hasta las tarjetas de front-end, se incluyen varios elementos de la cadena; como son las tarjetas empleadas como soporte para los SiPM en el interior de la cámara, las cuáles deben cumplir rigurosas medidas de radiopureza y degasificación. También se ha diseñado el cableado tanto interno como externo, haciendo énfasis en conseguir la mayor relación posible señal-ruido; y el pasamuros específico para el plano de reconstrucción de trazas, el cual ha resuelto a bajo coste el problema de extraer casi 4000 líneas desde la zona de xenón a alta presión hasta el exterior. Por último, uno de los elementos más importantes de esta cadena y en el cuál se centra principalmente esta tesis, es la tarjeta de front-end. Partiendo de la experiencia adquirida del primer prototipo del experimento, NEXT-DEMO, se ha perfeccionado una electrónica capaz de tratar, integrar y adquirir las señales de todos los SiPM del plano de reconstrucción de trazas, permitiendo su posterior adquisición y procesado mediante un sistema basado en la estructura ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture). Todos los elementos diseñados han sido ensamblados y puestos en marcha en el detector NEW, un prototipo a gran escala del detector final, que está ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en el Pirineo Aragonés. / L'experiment NEXT és un dels més innovadors en la recerca de la desintegració doble beta sense neutrins, i aquesta troballa donaria amb la resposta a una de les quèstions més importants de la física en els últims anys: és el neutrí la seua pròpia antipartícula? O dit d'una altra manera, és una partícula de Majorana? Per açò NEXT fa ús d'una TPC (Time Projection Chamber) plena de gas xenó enriquit a alta presió, i amb dos plànols de fotosensors, un a cada extrem. El primer d'ells està format per PMTs (Photo Multiplier Tube), que arrepleguen la llum generada pel xenó quan ocorre un esdeveniment, i mesuren l'energía d'aquest. El segon consisteix en una matriu de SiPMs (Silicon PhotoMultipliers) que permeten reconstruir tridimensionalment la traça d'aquest esdeveniment. El conjunt de tots dos plànols de fotosensors atorga a l'experiment NEXT un gran rebuig a esdeveniments de fons, la qual cosa marca la diferència amb altres experiments a la recerca de la desintegració doble beta sense neutrins. A més, els SiPMs so'n una tecnología de recent aparició que en l'actualitat està evolucionant a grans passos per a, en un futur, desplaçar als fotomultiplicadors clàssics. Per això l'estudi d'aquests fotosensors part pràcticament des de zero, ja que no hi ha aplicacions prèvies del seu ús com a pixel-tracking, i ha permés obrir un nou camí en els detectors de física, tant d'alta com de baixa energia. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu l'estudi i diseny de l'electrònica involucrada en el plànol de reconstrucció de traces, i que involucra en menor mesura donar solució a problemes tècnics d'aspecte mecànic. Partint dels sensors situats dins del detector, els SiPMs, fins a les targetes de front-end, s'inclouen diversos elements de la cadena; com són les targetes emprades com a suport per als SiPMs a l'interior de la càmera, les quals han de complir rigoroses mesures de radioactivitat i degasificació. També s'ha disenyat el cablejat tant intern com extern, fent èmfasi en aconseguir la major relació possible senyal-soroll; i el passamurs específic per al plànol de reconstrucció de traces, el qual ha resolt a baix cost el problema d'extraure quasi 4000 línies des de la zona de xenó a alta presió fins a l'exterior. Finalment, un dels elements més importants d'aquesta cadena i en el qual es centra principalment aquesta tesi, és la targeta de front-end. Partint de l'experiència adquirida del primer prototip de l'experiment, NEXT-DEMO, s'ha perfeccionat una electrònica capaç de tractar, integrar i adquirir les senyals de tots els SiPM del plànol de reconstrucció de traces, permetent la seua posterior adquisició i processament mitjançant un sistema basat en l'estructura ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture). Tots els elements disenyats han sigut muntats i engegats en el detector NEW, un prototip a gran escala del detector final, que està situat en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, al Pirineu Aragonés. / Rodríguez Samaniego, J. (2017). Study and design of the front-end and readout electronics for the tracking plane in the NEXT experiment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86285

El objetivo de esta tesis fue desarrollar un ELISA multianalito, basado en anticuerpos monoclonales, para los plaguicidas N-metilcarbamatos carbaryl, carbofuran y methiocarb. Para ello se desarrollaron en primer lugar ELISAs individuales para carbofuran y methiocarb. Posteriormente estos inmunoensayos, junto con el de carbary1, previamente desarrollado en el LIB, se integraron en un ELISA multianalito. Para producir anticuerpos monoclonales frente a carbofuran y methiocarb se sintetizaron tres compuestos para cada analito, con un brazo espaciador carboxílico de diferente longitud introducido en el grupo carbamato de la estructura del analito. Posteriormente, estos compuestos fueron conjugados a proteínas y utilizados para inmunizar ratones. Los anticuerpos monoclonales producidos fueron caracterizados en los formatos de ELISA de conjugado inmovilizado (C1) y anticuerpo inmovilizado (Al), usando otros compuestos sintetizados como haptenos heterólogos de ensayo. Los anticuerpos de methiocarb LIB-MXNB31 y de carbofuran LIB-BFNB67, en combinación con los haptenos de methiocarb (DPNI-1 y MCNH) y de carbofuran (BFNH), acoplados a ovoalbúmina y a peroxidasa, respectivamente, se utilizaron para desarrollar ELISAs en los formatos Cl y Al, respectivamente. Los inmunoensayos desarrollados para carbofuran y methiocarb mostraron valores de I5o aproximadamente de 0.7 y 0.03 ng/ml, respectivamente. Los ELISAs de methiocarb fueron muy específicos, mientras que los de carbofuran reconocieron algunos compuestos estructuralmente similares. Los inmunoensayos de carbofuran y methiocarb, junto con el de carbary1, fueron validados frente a HPLC, como método de referencia, en el análisis de muestras purificadas de frutas y hortalizas, obteniéndose una buena correlación entre métodos. Asimismo, se demostró que estos ELISAs puede ser aplicados al análisis de carbary1, carbofuran y methiocarb en extractos crudos, obteniéndose incluso mejores resultados que en las muestras purificadas......... / Moreno Tamarit, MJ. (2002). Desarrollo de un inmunoensayo multianalito, basado en anticuerpos monoclonales, para la determinación de plaguicidas N-metilcarbamatos en frutas y hortalizas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2688

La Tesis Doctoral que se presenta ha sido desarrollada dentro del proyecto CICYT con la referencia TIC2000-1151-C07-05 y que lleva por título: "Compresión de Vídeo en Tiempo Real Orientado a Aplicaciones Médicas. Estudio de la Segmentación del Algoritmo de la Transformada Wavelet e Implementación VLSI". En este proyecto se pretende realizar un sistema hardware para la compresión de vídeo en tiempo real, con la finalidad de poder ser transmitido por intranet o por internet. El proyecto se particulariza para aplicaciones médicas, en las que se requiere utilizar sistemas de compresión sin pérdidas. El uso de los estándares de compresión JPEG y MPEG, en aplicaciones médicas, presentan inconvenientes ya que se basan en la transformada discreta del coseno (DCT). En la presente Tesis Doctoral se realiza un diseño hardware de la transformada wavelet, con el fin de ser utilizado en un sistema de compresión de imágenes y vídeo digital. El diseño pretende ser abierto, modular y escalable, de modo que los parámetros definitivos de la transformada wavelet puedan ser elegidos en función del tipo de imágenes y de los índices de compresión. Así una vez fijados los parámetros el diseño puede ser rápidamente sintetizado e implementado en una FPGA. Las características de reconfigurabilidad de las FPGA permiten la modificación del funcionamiento de la transformada. Previamente a la realización del diseño ha sido necesario realizar un estudio de la transformada wavelet de dos dimensiones, analizando los tipos de filtros que se pueden utilizar, así como cuales son los que proporcionan una mejor relación señal-ruido. Este estudio ha permitido realizar una análisis del número de bits que hacen falta, en cada etapa de la transformada wavelet, para hacer el cálculo utilizando datos del tipo entero. / Colom Palero, RJ. (2001). Estudio e implementación de la transformada Wavelet para la compresión de imágenes y video [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4261

El presente trabajo ha sido desarrollado con la finalidad de la obtención del título de Doctor en Electrónica por la Universidad Politécnica de Valencia. Este documento reporta el diseño y la construcción de un convertidor electrónico destinado a operar en el entorno de las microrredes con energía fotovoltaica. Las microrredes cada vez están tomando más importancia y su implementación a gran escala está más cercana. Por este motivo resulta interesante trabajar en la obtención de equipos destinados a mejorar las capacidades de las microrredes. Las Microrredes son agrupaciones de recursos de generación, almacenamiento, distribución eléctrica y cargas gestionadas desde la propia instalación, que pueden funcionar tanto conectados a la red eléctrica como aislados de la misma. El quipo desarrollado es capaz de operar tanto con la microrred conectada a la red principal como con la microrred aislada. El cambio entre ambos estados se realiza mediante transiciones suaves que no afectan a las cargas. El equipo emplea diferentes controles para los diferentes estados. El equipo presenta igualmente la posibilidad de trabajar en paralelo con otros equipos sin necesidad de comunicaciones entre ellos. El sistema dispone de un sistema de almacenamiento de energía en baterías que permite mejorar el servicio cuando la microrred se encuentra aislada. El almacenamiento de energía se realiza en corriente continua mediante un convertidor DC/DC conectado al bus de continua en paralelo con el inversor. El sistema de almacenamiento de energía permite energizar las cargas a pesar de que la energía requerida por estas sea mayor que la entregada por los paneles fotovoltaicos. En el caso en el que la generación es mayor que la carga, el exceso de energía puede ser almacenado en las baterías. El documento presenta tanto el diseño como los resultados obtenidos en simulación y experimentales del equipo trabajando en diferentes situaciones. Los resultados obtenidos confirman el buen funcionamie / Velasco De La Fuente, D. (2012). Reconfiguración de controladores para inversores fotovoltaicos con almacenamiento de energía en DC operando como generadores autónomos en una microrred [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16183

El desarrollo de la tecnología electrónica hace necesario disponer de modelos fiables de los dispositivos y convierte la simulación de los mismos en un elemento estratégico para su desarrollo presente y futuro. El transistor bipolar de heterounión (HBT) es uno de los componentes más prometedores dentro del campo de los dispositivos de alta velocidad, ya que es capaz de controlar densidades de corriente elevadas a frecuencias muy elevadas. Dentro de esta familia destacan los HBTs de InP/InGaAs, que registran actualmente la frecuencia de operación más alta. Estos dispositivos exhiben una discontinuidad abrupta en las bandas de energía (en la interfaz base-emisor), cuya presencia invalida los modelos convencionales de transporte, basados en los mecanismos de arrastre-difusión (DD) o en el modelo hidrodinámico (HD) y ampliados con la emisión termoiónica y la transmisión túnel en la heterounión. Tanto el modelo DD como el HD derivan de aproximaciones de la ecuación de transporte de Boltzmann (BTE) que, alternativamente, puede ser resuelta de forma exacta por el método de Monte Carlo (MC). De esta forma, se superan las limitaciones intrínsecas de los simuladores convencionales y es posible determinar su margen de validez. El inconveniente principal de los simuladores MC es su elevado requerimiento de tiempo de cálculo. El objetivo de la tesis es desarrollar un simulador MC para HBTs abruptos que sea computacionalmente eficiente, por aplicación de técnicas de supercomputación paralela. La memoria de la tesis consta de seis capítulos. En el primero se introducen la problemática de la simulación de dispositivos, los HBTs y el método de MC aplicado a este campo. En el segundo se presenta el método convencional de simulación de HBTs, puesto que su resultado será utilizado como aproximación inicial en el simulador MC desarrollado y como referencia comparativa. El tercer capítulo se dedica a presentar el esquema básico de simulación MC de transistores bipolares, mientras que en el cuarto se dan detalles de la implementación eficiente del simulador MCHBT, con la aplicación de técnicas de supercomputación paralela y la utilización de técnicas específicas como el MC ponderado. El capítulo quinto contiene los resultados de simulación de BJTs de GaAs, para resaltar las diferencias del nuevo método de simulación con el convencional sobre un dispositivo y un material conocidos. Finalmente, se amplía el simulador MC con la resolución de la ecuación de Schrodinger en la interfaz abrupta, para incorporar los fenómenos cuánticos de transporte en el HBT. Asimismo, se utiliza la ecuación de balance del momento para interpretar los resultados y establecer un margen de validez de los simuladores convencionales ampliados para el estudio de HBTs abruptos.

La presente tesis doctoral abarca el área de los sistemas de medida de la potencia eléctrica basados en la teoría de la potencia eléctrica definida por el IEEE Std. 1459-2000, en sistemas trifásicos a cuatro hilos. Se analizan y se implementa un sistema de medidas digital basado en dicha teoría que permite medir cada uno de los términos propuestos en el IEEE Std 1459-2000 que representan los distintos fenómenos eléctricos eficientes y no eficientes que se pueden dar en este tipo de sistemas. Se realiza un análisis sobre las teorías de la potencia eléctrica más actuales y se analiza en profundidad la teoría de la potencia eléctrica definida en el IEEE Std 1459-2000 para los distintos tipos de sistemas eléctricos. Se aporta en la tesis una nueva descomposición de la potencia de desequilibrio definida en el IEEE Std 1459-2000, dando lugar a unos nuevos términos que cuantifican de forma independiente el desequilibrio provocado por los usuarios (cargas no equilibradas) y el desequilibrio debido a las tensiones de la red eléctrica. Se incluyen además unos nuevos factores de mérito que permiten cuantificar de una forma más eficiente cada uno de estos desequilibrios los cuales pueden ser incluidos en los equipos de medidas basados en dicha teoría para medir o penalizar a los usuarios. Para la implementación del sistema de medidas digital se propone en esta tesis la utilización de un sistema de sincronización capaz de sincronizarse con la componente fundamental y de secuencia positiva de las tensiones de red. El sistema de sincronización está compuesto por: un filtro pasabanda SOGI (Second Order Generalized Integrator), un sistema para la obtención de la secuencia positiva a través del método de la DSC (Delayed Signal Cancellation) y por un SPLL (PLL software). / Alfonso Gil, JC. (2010). Contribución a la mejora de los sistemas de medida basados en el IEEE Std 1459-2000 [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8345

Este trabajo ha sido realizado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y forma parte del proyecto de investigación Europeo para futuros aceleradores lineales (EUDET). En física de partículas existen diferentes categorías de detectores de partículas. El diseño presentado esta centrado en un tipo particular de detector de trayectoria de partículas denominado TPC (Time Projection Chamber) que proporciona una imagen en tres dimensiones de las partículas eléctricamente cargadas que atraviesan su volumen gaseoso. La tesis incluye un estudio de los objetivos para futuros detectores, resumiendo los parámetros que un sistema de adquisición de datos debe cumplir en esos casos. Además, estos requisitos son comparados con los actuales sistemas de lectura utilizados en diferentes detectores TPC. Se concluye que ninguno de los sistemas cumple las restrictivas condiciones. Algunos de los principales objetivos para futuros detectores TPC son un altísimo nivel de integración, incremento del número de canales, electrónica más rápida y muy baja potencia. El principal inconveniente del estado del arte de los sistemas anteriores es la utilización de varios circuitos integrados en la cadena de adquisición. Este hecho hace imposible alcanzar el altísimo nivel de integración requerido para futuros detectores. Además, un aumento del número de canales y frecuencia de muestreo haría incrementar hasta valores no permitidos la potencia utilizada. Y en consecuencia, incrementar la refrigeración necesaria (en caso de ser posible). Una de las novedades presentadas es la integración de toda la cadena de adquisición (filtros analógicos de entrada, conversor analógico-digital (ADC) y procesado de señal digital) en un único circuito integrado en tecnología de 130nm. Este chip es el primero que realiza esta altísima integración para detectores TPC. Por otro lado, se presenta un análisis detallado de los filtros de procesado de señal. Los objetivos más importantes es la reducció / García García, EJ. (2012). Novel Front-end Electronics for Time Projection Chamber Detectors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16980

Es bien conocida la importancia de la señal electrocardiográfica para el diagnóstico de multitud de enfermedades cardiacas, tanto mediante inspección visual como mediante técnicas actuales de inspección automática. Como en cualquier otra señal, la cantidad de información extraída y la calidad de la misma dependerán de propiedades tales como relación señal-ruido, resolución del conversor analógico-digital, frecuencia de muestreo, etc. Por esta razón, es de gran importancia que la señal ofrezca una `calidad' adecuada, máxime cuando el diagnóstico de ciertas enfermedades cardiovasculares graves depende de ello. La reducción del ruido en el electrocardiograma (ECG) ha sido uno de los temas más abordados en la bibliografía sobre procesado de señal de ECG. Han sido y son muy diversas las maneras de afrontar el problema y no existe un único método de aplicación universal a todas las fuentes de ruido y todos los casos. En esta tesis doctoral se han estudiado las principales fuentes de ruido que aparecen en el registro del ECG. Algunas de éstas pueden minimizarse en la fase de adquisición de la señal prestando un especial cuidado a ciertas normas o reglas. Sin embargo, otras, como el ruido muscular, o la deriva de la línea base y artefactos, no pueden eliminarse o reducirse al máximo en la fase de adquisición y se hacen necesarias técnicas de procesado de señal a posteriori para su reducción a un nivel aceptable. Una de las primeras opciones es el filtrado de la señal, mediante filtros lineales o no lineales que maximicen la relación señal a ruido como, por ejemplo, el filtro de Wiener. Cuando el espectro de la señal de interés y el ruido se solapan, las técnicas de filtrado dejan de ser eficaces. En ese caso, otra de las técnicas comunes que se aplican es el promediado de señal. Su utilización resulta eficaz siempre y cuando la señal y el ruido a reducir cumplan ciertas condiciones. El filtrado adaptativo ha sido otra de las técnicas que han obtenido resultados aceptables e / Mateo Sotos, J. (2012). APLICACIÓN DE REDES NEURONALES ARTIFICIALES EN EL PROCESADO VERSÁTIL DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17530

En este trabajo se realizó el diseño e implementación de un sistema de conversión de energía, basado en un inversor monofásico para una aplicación dentro del contexto de microrredes. Dichos sistemas presentan actualmente un alto impacto dentro de las nuevas estrategias de generación de energía eléctrica cuya base se centra en los sistemas de generación distribuida (DG). Donde básicamente se considera un conjunto de unidades de generación y de cargas como un ente autónomo capaz de funcionar en modo isla o conectado a una red de distribución. Con esta nueva estrategia de generación y distribución de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, se crea la necesidad de implementar interfaces que permitan su conexión a la red eléctrica, así como alimentar cargas directamente en ausencia de la misma. A tales interfaces, se les conoce con el nombre de microrredes y los sistemas de conversión de energía juegan un papel muy importante. Bajo este contexto se realizó un estudio, análisis, diseño e implementación por medio de simulaciones y pruebas experimentales de distintas técnicas de control basadas en: controlador proporcional, integral (PI), controlador proporcional más controlador resonante (P+CRes), controlador proporcional Integral más controlador resonante (PI+CRes), controlador proporcional integral más controlador repetitivo (PI+CR). Particularmente, la técnica de control P+CRes se empleó en el lazo de corriente y el resto de las técnicas se emplearon en el lazo de tensión. Destacando la aplicación de dos configuraciones de control novedosas basadas en un esquema de control de dos grados de libertad (Two Degree of Freedom) más controlador repetitivo (Repetitive Control) (2DOF+CR), así como en un esquema PI-P más controlador resonante (PI-P+CRes) que en operación en modo isla del inversor permitieron mantener las características de la señal de tensión que habrá de suministrarse a la carga en forma eficaz. Es decir, con estas configuraciones de control se mantuvo / Ortega González, R. (2012). Aplicación de Técnicas de Control para Reducción del THDv en Inversores Monofásicos de Generación de Energía que Operan en Modo Isla en el Contexto de Microrredes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17740

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the heavy-ion experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. As an important part of its upgrade plans, the ALICE experiment will schedule the installation of a new Inner Tracking System (ITS) during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC. The new ITS layout will consist of seven concentric layers, ¿ 12.5 Gigapixel camera covering about 10m2 with Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). This choice of technology has been guided by the tight requirements on the material budget of 0.3% X/X0 per layer for the three innermost layers and backed by the significant progress in the field of MAPS in recent years. The technology initially chosen for the ITS upgrade is the TowerJazz 180 nm CMOS Technology. It offers a standard epitaxial layer of 15 - 18 µm with a resistivity between 1 and 5 k¿ cm¿1 and a gate oxide thickness below 4 nm, thus being more robust to Total Ionizing Dose (TID). The main subject of this thesis is to implement a novel digital pixel readout architecture for MAPS. This thesis aims to study this novel readout architecture as an alternative to the rolling-shutter readout. However, this must be investigated through the study of several chip readout architectures during the R&D phase. Another objective of this thesis is the study and characterization of TowerJazz, if it meets the Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Single Event Effects (SEE) of the ALICE ITS upgrade program. Other goals of this thesis are: ¿ Implementation of the top-down flow for this CMOS process and the design of multiple readouts for different prototypes up to the assembly of a full-scale prototype. xvii Abstract ¿ Characterization of the radiation hardness and SEE of the chips submitted to fabrication. ¿ Characterization of full custom designs using analog simulations and the generation of digital models for the simulation chain needed for the verification process. ¿ Implementation and study of different digital readouts to meet the ITS upgrade program in integration time, pixel size and power consumption, from the conceptual idea, production and fabrication phase. Chapter 1 is a brief overview of CERN, the LHC and the detectors complex. The ALICE ITS will be explained, focusing on the ITS upgrade in terms of detector needs and design constraints. Chapter 2 explains the properties of silicon detectors and the detector material and the principles of operation for MAPS. Chapters 3 and 4 describe the ALPIDE prototypes and their readout based on MAPS; this forms the central part of this work, including the multiple families of pixel detectors fabricated in order to reach the final design for the ITS. The ALPIDE3/pALPIDE3B chip, the latest MAPS chip designed, will be explained in detail, as well focusing in the matrix digital readout. In chapter 5 the noise measurements and its characterization are presented including a brief summary of detector response to irradiation with soft X-rays, sources and particle beams. / El sub detector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es un detector de vértice y es el detector mas cercano al punto de interacción. Se encuentra conformado por 3 tipos de subdetectores, dos capas de pixel de silicio (Silicon Pixel Detectors), 2 capas de acumulación de silicio (Silicon Drift Detectors) y 2 capas de banda de Silicio (Silicon Strip Detectors). La función primaria del ITS es identificar y rastrear las partículas de bajo momentum transversal. El detector ITS en sus dos capas más internas están equipadas con sensores de silicio basados en píxeles híbridos. Para reemplazar esta tecnología de Píxeles, el detector ITS actual será reemplazado por un nuevo detector de una sola tecnología, ampliando su resolución espacial y mejorando el rastreo de trazas. Este nuevo detector constará de siete capas de sensores de píxeles activos monolíticos (MAPS), las cuales deberán satisfacer los requerimientos de presupuesto de materiales y ser tolerantes a mayores niveles de radiación para los nuevos escenarios de incrementos de luminosidad y mayores tasas de colisiones. Los sensores MAPS que integran el sensor de imagen y los circuitos de lectura se encuentran en la misma oblea de silicio, tienen grandes ventajas en una buena resolución de posición y un bajo presupuesto material en términos de bajo coste de producción. TowerJazz ofrece la posibilidad de una cuádruple-WELL aislando los transistores pMOS que se encuentran en la misma nWELL evitando la competencia con el electrodo de recolección, permitiendo circuitos mas complejos y compactos para ser implementados dentro de la zona activa y además posee una capa epitaxial de alta resistividad. Esta tecnología proporciona una puerta de óxido muy delgado limitando el daño superficial por la radiación haciéndolo adecuado para su uso denxiii Resúmen tro del experimento ALICE. En los últimos cuatro años se ha llevado a cabo una intensiva I+D en MAPS en el marco de la actualización del ITS de ALICE. Varios prototipos a pequeña escala se han desarrollado y probado exitosamente con rayos X, fuentes radioactivas y haces de partículas. La tolerancia a la radiación de ALICE ITS es moderada con una tolerancia de irradiación TID de 700 krad y NIEL de 1 × 1013 1 MeV neqcm¿2 , MAPS es una opción viable para la actualización del ITS. La contribución original de esta tesis es la implementación de una nueva arquitectura digital de lectura de píxeles para MAPS. Esta tesis presenta un codificador asíncrono de direcciones (arquitectura basada en la supresión de ceros transmitiendo la dirección de los píxeles excitados denominada PADRE) para la arquitectura ALPIDE, el autor también hizo una contribución significativa en el ensamblaje y veri- ficación de circuitos. PADRE es la principal investigación del autor, basada en un codificador de prioridad jerárquica de cuatro entradas y es una alternativa a la arquitectura de lectura rolling-shutter. Además de los prototipos a pequeña escala, también se han desarrollado prototipos a escala completa a las necesidades del detector ITS (15 mm y 30 mm) empleando un nuevo circuito de lectura basado en la versión personalizada del circuito PADRE. El pALPIDEfs fue el primer prototipo a escala completa y se caracterizó obteniendo un tiempo de lectura de la matriz por debajo de 4 µs y un consumo de energía en el orden de 80 mWcm¿2 . En general, los resultados obtenidos representan un avance significativo de la tecnología MAPS en cuanto al consumo de energía, velocidad de lectura, tiempo de recolección de carga y tolerancia a la radiación. El sensor pALPIDE2 ha demostrado ser una opción muy atractiva para el nuevo detector ITS, satisfaciendo los requerimientos en términos de eficiencia de detección, fake-hit rate y resolución de posición, ya que su rendimiento no puede alcanzarse mediante prototipos basados en la arquitectura de lectura tradicionales como es / El subdetector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és un detector de vèrtex i és el detector mes proper al punt d'interacció. Es troba conformat per 3 tipus de subdetectors, dues capes de píxel de silici (Silicon Pixel Detectors), 2 capes d'acumulació de silici (Silicon Drift Detectors) i 2 capes de banda de Silici (Silicon Strip Detectors). La funció primària del ITS és identificar i rastrejar les partícules de baix moment transversal. El detector ITS en les seues dues capes més internes estan equipades amb sensors de silici basats en píxels híbrids. Per a reemplaçar aquesta tecnologia de Píxels, el detector ITS actual serà reemplaçat per un nou detector d'una sola tecnologia, ampliant la seua resolució espacial i millorant el rastreig de traces. Aquest nou detector constarà de set capes de sensors de píxels actius monolítics (MAPS), les quals hauran de satisfer els requeriments de pressupost de materials i ser tolerants a majors nivells de radiació per als nous escenaris d'increments de lluminositat i majors taxes de col·lisions. Els sensors MAPS que integren el sensor d'imatge i els circuits de lectura es troben en la mateixa hòstia de silici, tenen grans avantatges en una bona resolució de posició i un baix pressupost material en termes de baix cost de producció. TowerJazz ofereix la possibilitat d'una quàdruple-WELL aïllant els transistors pMOS que es troben en la mateixa nWELL evitant la competència amb l'elèctrode de recol·lecció, permetent circuits mes complexos i compactes per a ser implementats dins de la zona activa i a més posseeix una capa epitaxial d'alta resistivitat. Aquesta tecnologia proporciona una porta d'òxid molt prim limitant el dany superficial per la radiació fent-ho adequat per al seu ús dins de l'- experiment ALICE. En els últims quatre anys s'ha dut a terme una intensiva R+D en MAPS en el marc de l'actualització del ITS d'ALICE. Diversos prototips a petita escala s'han desenvolupat i provat ix Resum reeixidament amb rajos X, fonts radioactives i feixos de partícules. La tolerància a la radiació d'ALICE ITS és moderada amb una tolerància d'irradiació TID de 700 krad i NIEL d'1× 1013 1MeV neqcm¿2 , MAPS és una opció viable per a l'actualització del ITS. La contribució original d'aquesta tesi és la implementació d'una nova arquitectura digital de lectura de píxels per a MAPS. Aquesta tesi presenta un codificador asíncron d'adreces (arquitectura basada en la supressió de zeros transmetent l'adreça dels píxels excitats denominada PADRE) per a l'arquitectura ALPIDE, l'autor també va fer una contribució significativa en l'assemblatge i verificació de circuits. PADRE és la principal recerca de l'autor, basada en un codificador de prioritat jeràrquica de quatre entrades i és una alternativa a l'arquitectura de lectura rolling-shutter. A més dels prototips a petita escala, també s'han desenvolupat prototips a escala completa a les necessitats del detector ITS (15 mm i 30 mm) emprant un nou circuit de lectura basat en la versió personalitzada del circuit PADRE. El pALPIDEfs va ser el primer prototip a escala completa i es va caracteritzar obtenint un temps de lectura de la matriu per sota de 4 µs i un consum d'energia en l'ordre de 80 mWcm¿2 . En general, els resultats obtinguts representen un avanç significatiu de la tecnologia MAPS quant al consum d'energia, velocitat de lectura, temps de recol·lecció de càrrega i tolerància a la radiació. El sensor pALPIDE2 ha demostrat ser una opció molt atractiva per al nou detector ITS, satisfent els requeriments en termes d'eficiència de detecció, fake-hit rate i resolució de posició, ja que el seu rendiment no pot aconseguir-se mitjançant prototips basats en l'arquitectura de lectura tradicionals com és el rolling-shutter dissenyat en la mateixa tecnologia. Per aquesta raó, la R+D en els prototips ALPIDE ha continuat amb l'objectiu d'optimitza / Marín Tobón, CA. (2017). PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86154