Introduzione alla
Elettronica Nucleare
• Segnali impulsivi
– definizioni
– il dominio delle frequenze
– la banda passante
Segnali impulsivi
• Per estrarre l’informazione dai rivelatori e’ necessario che il
segnale sia processato da un sistema elettronico – ad esempio:
– Distinguere diversi segnali
– Estrarre l’informazione sull’energia
– Estrarre l’informazione temporale
• In fisica nucleare l’informazione e’ tipicamente sotto forma di
segnali impulsivi, in corrente o tensione, e l’informazione viene
da una o piu’ caratterstiche del segnale, ad esempio l’ampiezza,
la polarita’, la forma del segnale, il tempo al quale si osserva un
dato segnale
• Questo e’ diverso da quanto avviene in altri sistemi, ad esempio
nei segnali in onda continua, dove l’informazione e’ contenuta
nella modulazione in ampiezza o in frequenza di un segnale
sinusoidale
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
2
Terminologia
Baseline
il livello al quale il segnale, decadendo, tende
asintoticamente
Ampiezza ( o p.h.)
Dalla baseline (locale) al suo massimo
Larghezza
Larghezza a mezza altezza (FWHM)
Leading edge
Il primo fronte del segnale
Falling (trailing) edge
L’ultimo fronte del segnale
Rise time
Tempo impiegato dal segnale per passare dal
10% al 90% della sua ampiezza
Fall time
Tempo impiegato dal segnale per decadere
dal 90% al 10% della sua ampiezza
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
3
Terminologia (2)
I segnali possono essere unipolari o bipolari
Unipolari: un solo lobo
Bipolari: attraversano la baseline
Analogici: l’informazione e’ codificata in modo continuo in una
caratteristica del segnale (ampiezza, forma), proporzionale al valore
dell’informazione (ad esempio l’energia)
Digitali: i segnali hanno solo un numero discreto di stati (tipicamente 0 e
1), codificati in qualche modo. Anche se trasportano meno informazione
rispetto ad un segnale analogico, sono piu’ affidabili in quanto e’ piu’
difficile che l’informazione sia deteriorata
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
4
Segnali lenti e veloci
•
Distingueremo nel seguito segnali veloci e lenti:
•
I segnali veloci si usano nelle applicazione di timing e ad alte
frequenze di conteggio
I segnali lenti si usano in spettroscopia essendo piu’ immuni al
rumore
•
– Veloci: tempi di salita di alcuni nanosecondi o meno
– Lenti: tempi di salita di ~100 ns o piu’
•
Facciamo questa distinzione perche’ i segnali veloci sono piu’
facilmente distorti da piccole componenti capacitive, induttive e
resistive parassite presenti nei circuiti e nelle loro interconnessioni:
se ho un RC parassita,  = RC puo’ essere dello stesso ordine di
grandezza della durata di un segnale veloce ma e’ trascurabile per
un segnale lento
•
Inoltre i segnali veloci possono essere distorti dalle riflessioni nelle
interconnessioni, perche’ questi segnali hanno durate paragonabili ai
tempi di transito
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
5
Banda passante
Finora abbiamo guardato i segnali nel tempo. E’ importante pero’, in
elettronica nucleare, considerare i segnali in termini di componenti
spettrali
La trasformata di Fourier ci dice che ogni segnale f(t) puo’ essere
decomposto in una sovrapposizione di segnali sinusoidali puri
1
f (t ) 
2

 g ( ) exp( it )d

Dove g() e’ la trasformata di Fourier di f(t). Invertendo si ha
1
g ( ) 
2
13-03-2006

 f (t ) exp( it )dt

A. Cardini / INFN Cagliari
6
Banda passante (2)
•
Tutte le frequenze giocano un ruolo nello
shaping del segnale f(t), quindi per poter
trasmettere correttamente il segnale un
sistema deve rispondere in modo uguale per
tutte le frequenze. Questo in pratica e’
impossibile, ci saranno delle componenti
resistive o reattive che filtreranno alcune
componenti invece di altre, limitando la
risposta del sistema ad un certo intervallo
di frequenze
•
Questa a lato e’ la curve di risposta tipica
di un sistema, e l’intervallo di frequenze
delimitato dai punti in cui la risposta
scende a -3 dB e’ chiamata banda passante
del sistema
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
7
Effetto della banda passante
• Prendo la trasformata di Fourier g() di un impulso
rettangolare f(t) e ne faccio la trasformazione
inversa limitando il mio range di integrazione fino ad
una certa frequenza di taglio f
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
8
Effetto della banda passante (2)
• Una minima banda passante f  1/T e’ necessaria per
fornire una ragionevole approssimazione dell’impulso
• Cosa ho imparato? Se devo trattare impulsi da 5 ns ho
bisogno di bande passanti in eccesso a 200 MHz
• La tipica elettronica nucleare ha bande passanti dell’ordine di
500 MHz
• Puo’ anche essere definito un limite inferiore; trattando
esclusivamente segnali veloci, non siamo troppo interessati a
quello che succede sotto i 100 kHz
• Non e’ facile avere sistemi con bande passanti di 500 MHz!
13-03-2006
A. Cardini / INFN Cagliari
9