Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / New trends and emerging technologies motivate the design of analog-to-digital converters (ADCs) which must fit in increasingly constrained environments. Within this context, one design metric which is constantly forced towards reduction is the power consumption, leading the designers to come up with improvements in both the architecture and circuit levels. This work aims to push forward the energy efficiency of the successive approximation charge sharing ADC, which is a relatively new and unexplored architecture. Therefore, three complete ADCs are designed throughout this work, each one bringing novelties that help decreasing the power consumption. The techniques devised here include novel manners of dealing with the tracking of the input signal and a circuit to reduce power drained in the pre-charge cycle. Also, three different architectures of digital controller for this ADC topology are designed. Moreover, a novel bootstrapping switch circuit is presented, which provides lower devices-count and a extremely high energy efficiency. / As novas tendências e tecnologias emergentes motivam o projeto de conversores analógico-digitais (ADCs) que precisam suprir especificações cada vez mais restritivas. Nesse contexto, uma métrica de projeto que é constantemente forçada em direção à redução é o consumo de potência, fato esse que leva à concepção de melhorias tanto em nível arquitetural como em nível de circuito elétrico. Este trabalho tem como objetivo elevar a eficiência energética dos ADCs por aproximações sucessivas e compartilhamento de carga, visto que essa é uma arquitetura relativamente nova e inexplorada. Portanto, três ADCs completos são projetados ao longo deste trabalho, e cada um traz inovações que ajudam a reduzir o consumo de potência. As técnicas concebidas aqui incluem maneiras novas de efetuar a captura do sinal de entrada e um circuito para reduzir a potência drenada no ciclo de pré-carga. Além disso, três arquiteturas diferentes de controlador digital para essa topologia de ADC são expostas. Mais, um novo circuito de chave com bootstrapping é apresentado, o qual apresenta um número de dispositivos menor e uma eficiência energética extremamente alta.

Charge sharing poses a fundamental problem in the design of dynamic logic gates, which is nearly as old as digital circuit design itself. Although, many solutions are known, up to now most of them add additional complexity to a given system and require careful optimization of device sizes. Here we propose a simple CMOS-technology compatible transistor level solution to the charge sharing problem, employing a new class of field effect transistors with multiple independent gates (MIGFETs). Based on mixed-mode simulations in a coordinated device-circuit co-design framework, we show that their underlying device physics provides an inherent suppression of the charge sharing effect. Exemplary circuit layouts as well as discussion on the switching performance are given.

This licentiate thesis concerns the development and characterisation of X-ray imaging detector systems. “Colour” X-ray imaging opens up new perspectives within the fields of medical X-ray diagnosis and also in industrial X-ray quality control. The difference in absorption for different “colours” can be used to discern materials in the object. For instance, this information might be used to identify diseases such as brittle-bone disease. The “colour” of the X-rays can be identified if the detector system can process each X-ray photon individually. Such a detector system is called a “single photon processing” system or, less precise, a “photon counting system”. With modern technology it is possible to construct photon counting detector systems that can resolve details to a level of approximately 50 µm. However with such small pixels a problem will occur. In a semiconductor detector each absorbed X-ray photon creates a cloud of charge which contributes to the picture achieved. For high photon energies the size of the charge cloud is comparable to 50 µm and might be distributed between several pixels in the picture. Charge sharing is a key problem since, not only is the resolution degenerated, but it also destroys the “colour” information in the picture. The problem involving charge sharing which limits “colour” X-ray imaging is discussed in this thesis. Image quality, detector effectiveness and “colour correctness” are studied on pixellated detectors from the MEDIPIX collaboration. Characterisation measurements and simulations are compared to be able to understand the physical processes that take place in the detector. Simulations can show pointers for the future development of photon counting X-ray systems. Charge sharing can be suppressed by introducing 3D-detector structures or by developing readout systems which can correct the crosstalk between pixels.

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant. / The LHC proton-proton collisions create a hard radiation environment in the ATLAS detector. In order to quantify the effects of this environment on the detector performance and human safety, several Monte Carlo simulations have been performed. However, direct measurement is indispensable to monitor radiation levels in ATLAS and also to verify the simulation predictions. For this purpose, sixteen ATLAS-MPX devices have been installed at various positions in the ATLAS experimental and technical areas. They are composed of a pixelated silicon detector called MPX whose active surface is partially covered with converter layers for the detection of thermal, slow and fast neutrons. The ATLAS-MPX devices perform real-time measurement of radiation fields by recording the detected particle tracks as raster images. The analysis of the acquired images allows the identification of the detected particle types by the shapes of their tracks. For this aim, a pattern recognition software called MAFalda has been conceived. Since the tracks of strongly ionizing particles are influenced by charge sharing between adjacent pixels, a semi-empirical model describing this effect has been developed. Using this model, the energy of strongly ionizing particles can be estimated from the size of their tracks. The converter layers covering each ATLAS-MPX device form six different regions. The efficiency of each region to detect thermal, slow and fast neutrons has been determined by calibration measurements with known sources. The study of the ATLAS-MPX devices response to the radiation produced by proton-proton collisions at a center of mass energy of 7TeV has demonstrated that the number of recorded tracks is proportional to the LHC luminosity. This result allows the ATLAS-MPX devices to be employed as luminosity monitors. To perform an absolute luminosity measurement and calibration with these devices, the van der Meer method based on the LHC beam parameters has been proposed. Since the ATLAS-MPX devices response and the luminosity are correlated, the results of measuring radiation levels are expressed in terms of particle fluences per unit integrated luminosity. A significant deviation has been obtained when comparing these fluences with those predicted by GCALOR, which is one of the ATLAS detector simulations. In addition, radiation measurements performed at the end of proton-proton collisions have demonstrated that the decay of radionuclides produced during collisions can be observed with the ATLAS-MPX devices. The residual activation of ATLAS components can be measured with these devices by means of ambient dose equivalent calibration.

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant. / The LHC proton-proton collisions create a hard radiation environment in the ATLAS detector. In order to quantify the effects of this environment on the detector performance and human safety, several Monte Carlo simulations have been performed. However, direct measurement is indispensable to monitor radiation levels in ATLAS and also to verify the simulation predictions. For this purpose, sixteen ATLAS-MPX devices have been installed at various positions in the ATLAS experimental and technical areas. They are composed of a pixelated silicon detector called MPX whose active surface is partially covered with converter layers for the detection of thermal, slow and fast neutrons. The ATLAS-MPX devices perform real-time measurement of radiation fields by recording the detected particle tracks as raster images. The analysis of the acquired images allows the identification of the detected particle types by the shapes of their tracks. For this aim, a pattern recognition software called MAFalda has been conceived. Since the tracks of strongly ionizing particles are influenced by charge sharing between adjacent pixels, a semi-empirical model describing this effect has been developed. Using this model, the energy of strongly ionizing particles can be estimated from the size of their tracks. The converter layers covering each ATLAS-MPX device form six different regions. The efficiency of each region to detect thermal, slow and fast neutrons has been determined by calibration measurements with known sources. The study of the ATLAS-MPX devices response to the radiation produced by proton-proton collisions at a center of mass energy of 7TeV has demonstrated that the number of recorded tracks is proportional to the LHC luminosity. This result allows the ATLAS-MPX devices to be employed as luminosity monitors. To perform an absolute luminosity measurement and calibration with these devices, the van der Meer method based on the LHC beam parameters has been proposed. Since the ATLAS-MPX devices response and the luminosity are correlated, the results of measuring radiation levels are expressed in terms of particle fluences per unit integrated luminosity. A significant deviation has been obtained when comparing these fluences with those predicted by GCALOR, which is one of the ATLAS detector simulations. In addition, radiation measurements performed at the end of proton-proton collisions have demonstrated that the decay of radionuclides produced during collisions can be observed with the ATLAS-MPX devices. The residual activation of ATLAS components can be measured with these devices by means of ambient dose equivalent calibration.