A 3-step Low-latency Low-Power Multichannel Time-to-Digital Converter based on Time Residual Amplifier

This paper proposes and evaluates a novel architecture for a low-power Time-to-Digital Converter with high resolution, optimized for both integration in multichannel chips and high rate operation (40 Mconversion/s/channel). This converter is based on a three-step architecture. The first step uses a counter whereas the following ones are based on two kinds of Delay Line structures. A programmable time amplifier is used between the second and third steps to reach the final resolution of 24.4 ps in the standard mode of operation. The system makes use of common continuously stabilized master blocks that control trimmable slave blocks, in each channel, against the effects of global PVT variations. Thanks to this structure, the power consumption of a channel is considerably reduced when it does not process a hit, and limited to 2.2 mW when it processes a hit. In the 130 nm CMOS technology used for the prototype, the area of a TDC channel is only 0.051 mm2. This compactness combined with low power consumption is a key advantage for integration in multi-channel front-end chips. The performance of this new structure has been evaluated on prototype chips. Measurements show excellent timing performance over a wide range of operating temperatures (-40{\deg}C to 60{\deg}C) in agreement with our expectations. For example, the measured timing integral nonlinearity is better than 1 LSB (25 ps) and the overall timing precision is better than 21 ps RMS

Nouvelles chaînes d'instrumentation intégrées multivoies pour l'astrophysique

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont encore sources de découvertes et de mystère pour la communauté scientifique et pour l’humanité en général. Ces observations sont actuellement principalement basées sur la mesure d’ions et de particules in-situ qui constituent ces milieux. Les instruments d’observation intègrent des détecteurs spatiaux, utilisés pour convertir l'énergie des particules en charges électriques mesurables. Ces derniers sont étroitement liés à leur électronique analogique ou Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées « sensor heads ». Depuis quelques années, la volonté d’améliorer les résolutions spatiale et spectrale des détecteurs nécessite la conception d’une électronique intégrée multivoies. Ainsi, une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée. Cela permet d’une part de s’adapter au mieux à chaque détecteur pour en optimiser les performances ; et d’autre part de bénéficier des multiples avantages inhérents à l’utilisation d’une technologie CMOS : diminuer les dimensions et les temps de transit des signaux, intégration multifonctions, réduction des coûts pour une fabrication de masse et effets parasites étudiés et bien connus. Cependant les contraintes spatiales exigent une qualification draconienne du circuit. En effet, ces environnent radiatifs peuvent endommager les systèmes électroniques embarqués à bord des missions spatiales. Grâce à la réduction des dimensions, il ne semble plus opportun aujourd’hui d’utiliser des technologies dédiées au spatial (type SOI ou biCMOS spécifiques) mais plutôt de mettre en œuvre des techniques de durcissement par design (RHBD) sur des technologies standards qui sont moins onéreuses et plus performantes. L’objectif de cette thèse est la conception de nouvelles chaînes d’instrumentations intégrées multivoies pour le spatial. Ce travail, co-financé par le CNES et le CNRS, s’est inscrit dans le cadre d’un projet soutenu par le Réseau Thématique de Recherche Avancée Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (RTRA STAE) entre 2008 et 2011, intitulé CASA (Chaines AStrophysiques et leur instrumentation Associée). Au cours de cette thèse nous avons conçu 2 ASICs associés à 2 types de détecteurs spatiaux bien distincts. Le premier permet de compter les électrons en sortie d’une microchannel plate (MCP) tandis que le deuxième permet de quantifier le niveau d’énergie perdu par les e- en pénétrant dans un SC. L’étude de ces différents détecteurs doit d’abord être faite afin de les modéliser pour une parfaite adéquation avec leur électronique de détection. Ensuite, une optimisation des chaînes de conversion en vitesse, bruit et consommation est réalisée. Enfin, une méthodologie de savoir faire au niveau du traitement des informations doit être développée pour pérenniser l’expérience emmagasinée durant ces travaux. ABSTRACT : The solar system exploration and study of the distant universe are still sources of discovery and mystery to the scientific community and for humanity in general. These observations are currently mainly based on the measurement of ions and particles in-situ forming these environments. The observation instruments incorporate spatial sensors, used to convert particles energy into electrical charges measurable. These are closely related to their electronic analog or Analog-Front-End (AFE) and the combination form chains astrophysical detection called "sensor heads". In recent years, the desire to improve the spatial and spectral resolution detectors requires the design of a multichannel integrated electronics. Thus, a spatial-type electronic Application Specific Integrated Circuit (ASIC) should be developed. This allows one hand to best adapt to each detector to optimize performance, and on the other hand to benefit from multiples advantages inherent in the use of CMOS technology: reducing the size and transit time signals, multi-function integration, cost reduction for mass production and interference effects studied and well known. However, the spatial constraints require a drastic qualification of the circuit. Indeed, the surrounding radiation can damage electronic systems on board the space missions. By reducing the size, it seems more appropriate today to use technologies for the space (or BiCMOS SOI specific) but rather to implement hardening design techniques (RHBD) on standard technologies that are less expensive and more efficient. The objective of this thesis is the design of new integrated multi-channel instrumentation for space. This work, co-funded by CNES and CNRS, has registered as part of a project supported by the Advanced Research Thematic Network Science and Technology for Aeronautics and Space (RTRA STAE) between 2008 and 2011, called CASA (Channels Astrophysics and their associated instrumentation). In this thesis we have designed two ASICs associated with two types of distinct space detectors. The first is used to count the electrons at the output of a MicroChannel Plate (MCP) and the second quantifies the amount of energy lost by e- by entering in a SC. The study of these different sensors must first be made to model them for a perfect match with their detection electronics. Then the chain optimization in conversion speed, noise and consumption is achieved. Finally, a methodology of knowledge in the processing of information must be developed to sustain the experience stored in this work

Local and landscape parameters explaining distribution and abundance of Episyrphus balteatus (De Geer, 1776) (Diptera, Syrphidae) in forests and edges of rural landscape

This series of symposia has traditionally been a unique scientific forum for discussions on ecological and behavioral interactions within the guild of insects feeding on aphids. Its focus is to understand how natural control works, with the aim to improve it. After the initial two meetings in Czechoslovakia, symposia were organized in Poland, Hungary, France, Belgium, Canada and Portugal. The ninth meeting was held once again in the Czech Republic. Details on history of the meetings, with bibliographic data from all Proceedings, can be found at http://www.aphidophaga.org

Les paysages boisés sont-ils propices aux syrphidés auxiliaires du blé?

Les éléments semi-naturels des paysages agricoles (bois, haies, bandes enherbées, autres bords de champs) seraient favorables aux insectes auxiliaires des cultures présents naturellement dans les paysages agricoles. Ce « réseau vert » offrirait : i) des abris pour passer l’hiver, ii) des ressources complémentaires et des hôtes de substitution. Dans cette étude, nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les syrphes prédateurs des pucerons du blé seraient plus abondants dans des paysages boisés. Ainsi, les pucerons et les syrphes (oeufs, larves, pupes) présents dans les parcelles de blé de deux paysages différant par leur taux de boisement (Boisé : 28%, Peu Boisé : 16%) ont été échantillonnés durant les printemps 2003-2004-2005. De plus, un modèle multi-agent simulant la dynamique hivernale d’une espèce de syrphe (Episyrphus balteatus), a été utilisé sur ces deux paysages. Globalement, les abondances de pucerons et de syrphes prélevés sur le terrain ne diffèrent pas significativement entre les deux paysages. Par contre, les syrphes sont présents plus tôt et sont significativement plus nombreux en paysage boisé. Les simulations de la dynamique hivernale sur le modèle ont montré que les taux de survie hivernale sont plus forts dans les paysages boisés grâce à la présence de prairies et de lisières boisées orientées au Sud. En conclusion, les paysages boisés permettraient une survie plus importante en hiver qui expliquerait des abondances printanières plus fortes. Cet effet disparaîtrait avec l’avancée du printemps. Cette fenêtre temporelle courte (hiver / début du printemps) pourrait être décisive dans la régulation précoce des populations de pucerons

The large area detector onboard the eXTP mission

The Large Area Detector (LAD) is the high-throughput, spectral-timing instrument onboard the eXTP mission, a flagship mission of the Chinese Academy of Sciences and the China National Space Administration, with a large European participation coordinated by Italy and Spain. The eXTP mission is currently performing its phase B study, with a target launch at the end-2027. The eXTP scientific payload includes four instruments (SFA, PFA, LAD and WFM) offering unprecedented simultaneous wide-band X-ray timing and polarimetry sensitivity. The LAD instrument is based on the design originally proposed for the LOFT mission. It envisages a deployed 3.2 m2 effective area in the 2-30 keV energy range, achieved through the technology of the large-area Silicon Drift Detectors - offering a spectral resolution of up to 200 eV FWHM at 6 keV - and of capillary plate collimators - limiting the field of view to about 1 degree. In this paper we will provide an overview of the LAD instrument design, its current status of development and anticipated performance

New integrated multi-channel instrumentation for astrophysics

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont encore sources de découvertes et de mystère pour la communauté scientifique et pour l’humanité en général. Ces observations sont actuellement principalement basées sur la mesure d’ions et de particules in-situ qui constituent ces milieux. Les instruments d’observation intègrent des détecteurs spatiaux, utilisés pour convertir l'énergie des particules en charges électriques mesurables. Ces derniers sont étroitement liés à leur électronique analogique ou Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées « sensor heads ». Depuis quelques années, la volonté d’améliorer les résolutions spatiale et spectrale des détecteurs nécessite la conception d’une électronique intégrée multivoies. Ainsi, une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée. Cela permet d’une part de s’adapter au mieux à chaque détecteur pour en optimiser les performances ; et d’autre part de bénéficier des multiples avantages inhérents à l’utilisation d’une technologie CMOS : diminuer les dimensions et les temps de transit des signaux, intégration multifonctions, réduction des coûts pour une fabrication de masse et effets parasites étudiés et bien connus. Cependant les contraintes spatiales exigent une qualification draconienne du circuit. En effet, ces environnent radiatifs peuvent endommager les systèmes électroniques embarqués à bord des missions spatiales. Grâce à la réduction des dimensions, il ne semble plus opportun aujourd’hui d’utiliser des technologies dédiées au spatial (type SOI ou biCMOS spécifiques) mais plutôt de mettre en œuvre des techniques de durcissement par design (RHBD) sur des technologies standards qui sont moins onéreuses et plus performantes. L’objectif de cette thèse est la conception de nouvelles chaînes d’instrumentations intégrées multivoies pour le spatial. Ce travail, co-financé par le CNES et le CNRS, s’est inscrit dans le cadre d’un projet soutenu par le Réseau Thématique de Recherche Avancée Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (RTRA STAE) entre 2008 et 2011, intitulé CASA (Chaines AStrophysiques et leur instrumentation Associée). Au cours de cette thèse nous avons conçu 2 ASICs associés à 2 types de détecteurs spatiaux bien distincts. Le premier permet de compter les électrons en sortie d’une microchannel plate (MCP) tandis que le deuxième permet de quantifier le niveau d’énergie perdu par les e- en pénétrant dans un SC. L’étude de ces différents détecteurs doit d’abord être faite afin de les modéliser pour une parfaite adéquation avec leur électronique de détection. Ensuite, une optimisation des chaînes de conversion en vitesse, bruit et consommation est réalisée. Enfin, une méthodologie de savoir faire au niveau du traitement des informations doit être développée pour pérenniser l’expérience emmagasinée durant ces travaux.The solar system exploration and study of the distant universe are still sources of discovery and mystery to the scientific community and for humanity in general. These observations are currently mainly based on the measurement of ions and particles in-situ forming these environments. The observation instruments incorporate spatial sensors, used to convert particles energy into electrical charges measurable. These are closely related to their electronic analog or Analog-Front-End (AFE) and the combination form chains astrophysical detection called "sensor heads". In recent years, the desire to improve the spatial and spectral resolution detectors requires the design of a multichannel integrated electronics. Thus, a spatial-type electronic Application Specific Integrated Circuit (ASIC) should be developed. This allows one hand to best adapt to each detector to optimize performance, and on the other hand to benefit from multiples advantages inherent in the use of CMOS technology: reducing the size and transit time signals, multi-function integration, cost reduction for mass production and interference effects studied and well known. However, the spatial constraints require a drastic qualification of the circuit. Indeed, the surrounding radiation can damage electronic systems on board the space missions. By reducing the size, it seems more appropriate today to use technologies for the space (or BiCMOS SOI specific) but rather to implement hardening design techniques (RHBD) on standard technologies that are less expensive and more efficient. The objective of this thesis is the design of new integrated multi-channel instrumentation for space. This work, co-funded by CNES and CNRS, has registered as part of a project supported by the Advanced Research Thematic Network Science and Technology for Aeronautics and Space (RTRA STAE) between 2008 and 2011, called CASA (Channels Astrophysics and their associated instrumentation). In this thesis we have designed two ASICs associated with two types of distinct space detectors. The first is used to count the electrons at the output of a MicroChannel Plate (MCP) and the second quantifies the amount of energy lost by e- by entering in a SC. The study of these different sensors must first be made to model them for a perfect match with their detection electronics. Then the chain optimization in conversion speed, noise and consumption is achieved. Finally, a methodology of knowledge in the processing of information must be developed to sustain the experience stored in this work

Low Noise CMOS Analog Front-End Circuit With an 8-bit 1-MS/s ADC for Silicon Sensors for Space Applications

International audienceA low-power analog front-end circuit for silicon (Si) detectors has been fabricated in 0.35- μm CMOS technology. It has been designed to readout signals from large-capacitance Si detectors for incident electron energy ranging from 50 to 725 keV. In order to quantify electron energy, the front-end integrates a charge preamplifier, a pulse shaper, a peak detector, and an event-driven analog-to-digital converter (ADC). The complete front end, including the ADC dissipates 2.5 mW for a maximum electron detecting rate of 650 kHz. The charge-to-voltage gain is 60 mV/fC for a charge range of 0.6 to 32 fF. The measured equivalent noise charge is 3119 e- for a 40-pF detector parasitic capacitance

Landscape parameters explain the distribution and abundance of Episyrphus balteatus (Diptera, Syrphidae).

International audienceWe studied the importance of forest structure (shape, edge length and orientation) and the crop mosaic (percentage of crops in the total land cover, within 100 and 2000 m from the forests) to the dynamics of an aphidophagous hoverfly Episyrphus balteatus. Adults were collected by Malaise traps located within and on the south- and north-facing edges of 54 forests. In winter, E. balteatus was only found on south-facing edges because of the greater insolation and temperature. In summer, it was more abundant on north-facing edges because of the abundant presence of flowers. In spring, more adults were found on long and south-facing edges than on northern edges. The presence of shrubs within 2000 m also positively affected abundance. In autumn, abundance was positively associated with length of the north-facing edge and forest shape. Emergence traps revealed that in southern France, E. balteatus may overwinter in the larval or puparial stage in forest edges. Overwintering was earlier reported only in adults. Landscape structure, length of forest edges and probably presence of shrub fallows, influence abundance of Episyrphus balteatus

CMOS Analog Front End Design for Particle Energy Measurement in Space Environment

International audienceIn situ studies of the geospace environment, including space weather monitoring, is mainly based on the measurements of particles and fields. The particle content of the Earth’s magnetosphere is studied with electron and ion detectors in various energy ranges, from the cold and dense eV solar wind to the MeV radiation belts. Here, the in situ high-energy (50 keV to 725keV) electron measurement is targeted. The design and development of space embedded electronic equipment require a specific approach . An Analog-Front-End (AFE) design methodology is proposed to optimizenoise, bandwidth, consumption, crosstalk and radiation hardness performances of such AFEs for Si semiconductor detectors. The conception ofan Analog-Front-End optimized in noise, band width, consumption, crosstalk and radiation hardness, dedicated to a silicon (SiA) detector. Each channel includes an 8 bits successive approximation register (SAR) ADC in order to digitize the incident electron energy. The chip was designed in a0.35 μm HV CMOS process. The ASIC measurements have shown that for a charge range of 0.6 fC to 32 fC , the charge - to - voltage conversion gainis approximately 60 mV/fC. The equivalent noise charge (ENC) is 3119 e- for 40pF input parasitic capacitance while consuming 2.5 mW. The circuitcan perform measurements up to a 650 kHz rate. The next step is to characterize the ASIC associated with the SC detector in a vacuum chamber. Furthermore, the total ionisation dose (TID) and the single event effect ( SEE ) tolerances must also be evaluate

Qualifying a CMOS Instrumentation Chain for Charged Particles Detection in the Space Environment

7 pagesInternational audienceFor the solar system exploration and the distant universe study, the in-situ particle energy measurement and/or the electron/ion event detection are needed. For our on-board satellite application, the particle sensor that is used to convert particle momentum into measurable electrical charges is a Microchannel plate (MCP). The performances of such a sensor depend on the Analog-Front-End (AFE) circuit used to process the incoming charges. Consequently, a CMOS instrumentation chain for charged particle detection has been designed and tested under space environment. This AFE contains 16 channels, all of which includes a charge pre-amplifier (CPA), a pulse shaper (PS) and a monostable circuit to perform the detection. Using a standard 0.35 μm CMOS process, the proposed AFE has a conversion gain of 0.9mV/fC for electrons and a power consumption of 2.15 mW per channel. Its dynamic range is 79 dB and it is possible to convert charges up to 1.5 pC. The circuit works properly from -20 to 80°C with a measured analog gain variation of 1μV.fC-1.K-1. As far as crosstalk is concerned, experiments show that the proposed instrumentation chain can detect negative charges down to 122 fC without any ambiguity. Further, the proposed chain was irradiated at an average rate of 140 rads (Si) per hour up to 360 krad without any functionality loss