Lezione 21
Cenni di elettronica
Elettronica
Acquisizione dati
Rivelatori di Particelle
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Lezione 21
Cenni di elettronica
Gli apparati del giorno d’oggi , sia che siano per targhetta fissa o Collider sono
fatti a cipolla ( o a spicchi di cipolla) e coinvolgono un gran numero di sottoapparati.
Ogni foglia di cipolla è un diverso sotto-apparato.
Lo scopo di questi diversi rivelatori è quello di ottenere informazioni su :





Tempo di arrivo
Direzione di incidenza
Energia
Impulso
Tipo di particella ecc.
L’uscita dei vari apparati è un segnale elettrico.
Rivelatori di Particelle
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Cenni di elettronica
Rivelatori di Particelle
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Cenni di elettronica
Vedremo, in breve:
 Tecniche di elettronica usate per processare l’informazione analogica
all’uscita dei vari sottorivelatori. L’uscita analogica viene quasi sempre
trasformata, il più presto possibile, in digitale.
 Tecniche ed architetture usate per il trigger. Il trigger seleziona gli eventi
interessanti fra tutti gli eventi presenti. Decide se l’evento deve essere
letto ed immagazzinato.
Se ad esempio vogliamo misurare il rate di m al livello del mare con un
telescopio di scintillatori è sufficiente contare i segnali al di sopra di una
certa soglia. I m possono essere selezionati da una coincidenza fra tutti
gli scintillatori. Altre particelle ad esempio protoni possono essere aboliti
richiedendo un certo livello di penetrazione ( assorbitore in ferro).
In esperimenti più complicati servono trigger selettivi spesso costituiti di
più livelli.
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Elettronica di lettura
Terminologia.
Quasi tutte le uscite degli apparati sono segnali di natura elettrica.
Generalmente l’informazione è sotto forma di impulsi, ovvero brevi variazioni
nel tempo di una corrente o di un voltaggio.
ampiezza
ampiezza
larghezza
Base line
tempo
Tempo di salita
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Elettronica di lettura
Per ottenere il funzionamento ottimale l’apparato e la sua elettronica di lettura
devono essere ben adattati l’uno all’ altro.
Le parti che ci interessano normalmente in un segnale sono:
 Ampiezza del segnale, forma  energia depositata nell’apparato.
 Tempo del segnale  tempo di passaggio della particella.
I segnali sono in generale:





Piccoli (dell’ordine del pC ~ 106 e- (fotomoltiplicatori camere a fili))
Molto piccoli (dell’ordine dei fC ~ 103 e- (Silici o microcamere a gas))
Corti ( dell’ordine dei ms (apparati spessi))
Molto corti (dell’ordine dei ns (apparati sottili))
E l’apparato è ad una certa distanza dall’elettronica di lettura (può essere 100m)
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Elettronica di lettura
Il segnale deve essere:
♣
♣
♣
♣
♣
Amplificato
Formato
Discriminato
Digitizzato
Trasferito
I segnali sono soggetti a distorsioni:
♠ Intrinseche, rumore
♠ Esterne (pickup, instabilità nel voltaggio, masse cattive)
Spesso il rapporto segnale/rumore (S/N) è la quantità che dobbiamo
ottimizzare.
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Elettronica di lettura
Amplificatori
Lo scopo di un amplificatore è quello di raccogliere un segnale debole da un
apparato, amplificarlo e trasmetterlo via cavo all’elettronica successiva
(formatore, discriminatore, contatore).
A titolo di esempio consideriamo uno scintillatore spesso 1 cm. Uno scintillatore rilascia
in media per una particella al MIP 2 MeV/cm di energia corrispondente a ~40000 fotoni (
si hanno ~20000 fotoni per MeV). Se leggo il mio scintillatore con un fotodiodo (Q.E.
~80%) ho ~ 30000 coppie elettrone lacuna. La capacità di un fotodiodo è 10÷100 pF.
Q=1.6x10-19x3x104~5x10-15 C
V=Q/C~5x10-15x1011~5x10-4 V=0.5 mV

Devo amplificare il segnale
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Amplificatori
L’amplificatore va montato il più possibile vicino all’apparato perché:
 Rumore generato vicino all’apparato o nel cavo che lo connette all’apparato
viene amplificato  cattivo rapporto segnale/rumore.
 Un cavo lungo attenua il segnale ( devo amplificarlo di nuovo alla fine del cavo)
e può causare seri problemi di impedenze non adattate (loop). Notiamo che per
evitare distorsioni dell’impulso anche all’uscita del preamplificatore ci vuole un
buon adattamento delle impedenze.
 Se si è costretti ad usare cavi lunghi usare twisted pair (cavi differenziali) ed
amplificatori differenziali  rimozione del rumore di modo comune.
Con le tecnologie moderne (VLSI=very large scale integration) si cerca di
mettere preamplificatori, amplificatori, discriminatori e perfino ADC il più vicino
possibile all’apparato in modo da trasmettere segnali digitali.
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Amplificatori
I preamplificatori si dividono grossomodo in 3 categorie:
◘ Amplificatori di carica
◘ Amplificatori di voltaggio
◘ Amplificatori di corrente
I primi due sono i più importanti per le applicazioni che ci interessano.
Sono in genere fatti con degli operazionali con un feedback negativo
(controreazionati) o capacitivo o resistivo .
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Amplificatori di carica
Se l’apparato è fatto di semiconduttori
con piccola capacità Cdet (ed inoltre
che può variare a seconda delle
condizioni di operazione) bisogna usare
un amplificatore di carica. Questo tipo
di amplificatore ha in generale una
capacità del circuito d’ingresso grande
e stabile che integra la carica rilasciata
nell’apparato e produce all’uscita un
impulso in voltaggio.
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Amplificatori di voltaggio
Si usa un amplificatore in voltaggio quando l’apparato ha una capacità Cdet grande quindi
in grado di integrare la carica rilasciata e convertirla in un segnale in voltaggio Vi=Q/ Cdet .
Per avere un guadagno stabile la capacità del circuito d’ingresso deve essere costante.
feedback
Rf
inverte
R
Vin
-A
Vout
L’uso di amplificatori di corrente è indicato nel caso di rivelatori a bassissima impedenza
 poco utile per apparati che rivelano radiazione in quanto essi hanno in generale un’alta
impedenza.
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Discriminatori e Formatori
I discriminatori (formatori) servono essenzialmente come filtri per far passare il segnale e
eliminare (per quanto possibile il rumore).
Rivelatori di Particelle
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Discriminatori e Formatori
Rumore
Rivelatori di Particelle
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Discriminatori
Rivelatori di Particelle
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Discriminatori e Formatori
Una quantità molto utile è l’ ENC (equivalente in carica del rumore):
Fv ed Fi sono dei fattori numerici che dipendono dai dettagli dei filtri per il rumore.
t(ns)
tempo di picco del formatore
Ci(pF)
capacità totale d’ingresso (include sia la capacità dell’apparato che quella
dell’amplificatore).
densità equivalenti del voltaggio e della corrente del rumore.
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Discriminatori
Ricordiamo:
 Un segnale analogico fornisce informazioni oltre che sull’ampiezza del segnale,
normalmente proporzionale alla perdita di energia della particella nell’apparato, anche sulla
forma (struttura temporale) del segnale.
 Segnali digitali o logici hanno normalmente due soli stati: segnale presente (1), segnale
assente (0). Sono molto più facili da maneggiare ed inoltre poco sensibili al rumore, pick up,
cross-talk ecc.
 Convertire il segnale analogico in digitale appena abbiamo estratto l’informazione
necessaria (e.g. altezza d’impulso).
Gli impulsi digitali di un particolare tipo logico hanno un’ampiezza ben definita e talvolta
anche una durata fissa.
Tipo logico
NIM
TTL
ECL
NIM= Nuclear Instrument Module
0
-1 a 1mA
0÷0.8 V
-0.9 V
1
-14÷-18mA
2÷5 V
-1.75 V
Rivelatori di Particelle
TTL=Transistor-Transistor Logic
ECL=Emitter Coupled Logic
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Lezione 21
Discriminatori
Per selezionare quali impulsi analogici devono essere trasformati in digitali si usano dei
discriminatori. I più comuni sono i discriminatori a soglia.
Un discriminatore a soglia accetta e trasmette solo
segnali al di sopra di una certa soglia di voltaggio
(regolabile).
La discriminazione viene normalmente fatta sul tempo di salita del segnale analogico
(leading edge)  problemi di temporizzazione in quanto il voltaggio di soglia viene
raggiunto a tempi diversi per segnali di ampiezze diverse (slewing).
Questo problema può essere eliminato richiedendo che una frazione costante del
segnale superi un valore preselezionato  discriminatore a frazione costante.
Per avere una buona risoluzione temporale può essere utile non utilizzare la salita del
segnale, ma il momento in cui il segnale raggiunge il massimo. Questo si ottiene
derivando il segnale e misurando il tempo al quale il segnale va a zero (zero crossing).
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Lezione 21
Discriminatori
Un’applicazione del discriminatore a soglia (discriminatore differenziale) è fornita dal
multicanale.
Un amplificatore differenziale è indicato in figura:
Vin
+
V2
V2
-
V1
V1
+
-
&
Vout
Vengono accettati solo segnali di ampiezza compresa fra V1 e V2.
Se mettiamo assieme molti amplificatori differenziali (con diverse soglie) (1024-4096)
possiamo analizzare e riprodurre tutto lo spettro delle ampiezze dei segnali.
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Convertitori
Fondamentali sono gli ADC (Analog to Digital Converter). Il principio di funzionamento del
più semplice ADC è indicato in figura:
L’ingresso è usato per caricare una
Capacità. Alla fine dell’impulso la
capacità è scaricata ad un rate costante.
Il tempo necessario per scaricare la
capacità è misurato con un oscillatore
(clock)  il numero di impulsi è
proporzionale alla carica accumulata
nella capacità e quindi all’ampiezza
dell’impulso d’ingresso.
Una modifica è l’ADC che usa sia la carica che la scarica (ADC a due rampe).
Il tempo di conversione per questi ADC per avere una risoluzione ad n bit è tx2n, dove t
è il periodo del clock.
Usando clock 50-200 MHz e 10 bit  t=20-5 ms.
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Convertitori
Molto più veloce è il convertitore ad approssimazioni successive. È un po’ un compromesso fra velocità e risoluzione.
Il segnale d’ingresso viene successivamente paragonato ad un insieme di voltaggi di riferimento generati da un DAC.
L’insieme dei bit abilitati o no nel registro è controllato da un circuito logico e va per approssimazioni. Si comincia col
paragonare la Vin con ½ Vmax se Vin > ½ Vmax il bit va ad 1 (MSB) e viene posto ad 1 anche il bit successivo.
(e.g. 8 bit 10000000 MSB  11000000= ½ Vmax +1/4 Vmax = ¾ Vmax ).
Se invece Vin < ½ Vmax si scrive 01000000 e si paragona con 1/4 Vmax e via di seguito.
In questo caso servono solo txn passaggi per n bit.(in questo esempio n=8)
D/A Converter
Buffer
Vin
Comparator
Logic Unit
Clock
Register
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Convertitori
FADC
Il tempo di conversione è essenzialmente dovuto al numero di passi n
necessari per paragonare il segnale d’ingresso con i voltaggi di
riferimento. Se quindi vogliamo eseguire la conversione in un solo
passo bisogna avere 2n comparatori che lavorano in parallelo e
contemporaneamente 2n voltaggi di riferimento che suddividono
l’ampiezza del segnale in 2n livelli (non necessariamente uguali).
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Convertitori
Il funzionamento di un FADC e’ semplice.
Una catena di resistenze divide il segnale
di riferimento in n valori che funzionano da
soglia per i comparatori. Il segnale da
analizzare e’ inviato contemporaneamente
a tutti i comparatori. Ogni comparatore
che vede un segnale più alto della sua
soglia da un’uscita. Le uscite dei
comparatori entrano in un gate che
converte le uscite (livelli) in numeri binari.
Il comparatore con la soglia più alta
fornisce l’impulso.
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Convertitori
FADC
In generale è più importante riprodurre la forma dell’impulso in digitale. Per
questo motivo il segnale d’ingresso è suddiviso in fette (con un clock di
frequenze fino ad 1 GHz). L’informazione per ogni ciclo del clock viene scritta
in un buffer veloce  enorme quantità di dati.
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Convertitori
TDC
Converte un tempo in digitale. Il metodo più semplice usa un oscillatore (clock)
ad alta frequenza connesso ad un contatore che è iniziato e fermato dagli
impulsi.
Per misurare tempi brevi meglio usare un TAC (time to amplitude converter)
seguito da un ADC.
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