Süper İletken Şerit-çizgi Dedektör Matrisi için Eş Zamanlı Adresleme Mimarisinin Tasarımı ve Gerçeklenmesi

Abstract

Mevcut Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) adresleme devreleri, işlem hızı ve güç tüketimi gibi bazı dezavantajlara sahiptirler. Bunun yanısıra Hızlı Tek Akı Kuantum (Rapid Single Flux Quantum, RSFQ) teknolojisi, CMOS teknolojisinin yetersiz olduğu işlemci hızı ve güç tüketimi bakımından gelecek vaadeden bir alternatiftir. Bu çalışmada, Süperiletken Şerit Çizgi Dedektör (Superconducting Stripline Detector, SSLD) matrisinin tepkilerini gözlemleyebilmek için eş zamanlı adresleme devresi tasarlanmıştır. Bu adresleme devresi sayaç, azlayıcı (demultiplexer) ünitesi ve Tek Eklemli SQUID Benzeri Devre'lerin ( Quasi-One Junction SQUID, QOS) dizisini içermektedir. QOS karşılaştırıcı devresi, girişinde belirli bir eşik değerinin üzerindeki akımın olması durumunda mantık "1" çıktısı oluşturur. İlk olarak, sayaç devresi QOS karşılaştırıcı devrelerinin saat darbelerini zamanda çoklanmış şekilde tetikler. Ardından QOS çıktıları, D-Flip Flop (DFF) mantık kapılarının girişlerine transfer edilir. Demultiplexer ünitesi dışardan kontrollü saat darbelerinin frekansında DFF'lerin saat darbelerini tetikler. Son olarak DFF'lerin çıktıları, merger hücreleri tarafından seri darbe trenine çevirilir. Aynı zamanda, sayaç devresi gelen ışının düştüğü pikselin adresini gösterir. 2 bitlik adresleme devresi tasarlandıktan sonra, bu devre 4 bitlik adresleme devresine genişletilmiştir. 4 bitlik adresleme devresi 2 GHz frekansına kadar çalışabilirken, 2 bitlik adresleme devresi 11.7 GHz frekans dolaylarında çalışabilmektedir. 4 bitlik adresleme devresi kullanılarak geliştirilen 16x16 piksel görüntüsü, 1MHz'lik bir çerçeve hızında okunabilir.

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) addressing circuits have some disadvantages such as operation speed and power consumption. On the other hand, Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) technology is a promising alternative where the CMOS technology is inadequate in terms of operations speed and power consumption. In this study, we have designed a synchronous addressing circuit to observe the responses of Superconducting Stripline Detector(SSLD) Matrix. This addressing circuit contains counter circuit, demultiplexer unit and an array of Quasi-One Junction Squids(QOSs). This comparator circuit digitalizes analog input signals and forms a logic "1" output in the presence of over-threshold current in the input of the QOS. Designed addressing architecture aims to scan incoming data to detect location of incident beam. At first, counter circuit triggers the clocks of QOS circuits in a time-multiplexed fashion and then QOS outputs are transferred to the D-Flip-Flops (DFFs). These DFFs are clocked by demultiplexer unit at the frequency of external clock. Lastly, outputs of DFFs are converted to serial pulse train via merger cells. At the same time, counter circuit indicates the address of the firing pixel. After designing a 2 bit adressing circuit,we have extended it to 4 bit. 2 bit adressing circuit can operate up to 11.7 GHz while 4 bit adressing circuit can operate up to 2 GHz. 16x16 pixel image that developed using 4 bit adressing circuits can be read out at a frame rate of 1MHz.