Lezione 21 Cenni di elettronica

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1 Cenni di elettronica Elettronica Acquisizione dati Rivelatori di Particelle 1

2 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 2

3 Cenni di elettronica Rivelatori di Particelle 3

4 Vedremo, in breve: Lezione 21 Cenni di elettronica 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 µ al livello del mare con un telescopio di scintillatori è sufficiente contare i segnali al di sopra di una certa soglia. I µ 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. Rivelatori di Particelle 4

5 Terminologia. Lezione 21 Elettronica di lettura 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 Base line larghezza Tempo di salita tempo Rivelatori di Particelle 5

6 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 ~ 10 6 e - (fotomoltiplicatori camere a fili)) Molto piccoli (dell ordine dei fc ~ 10 3 e - (Silici o microcamere a gas)) Corti ( dell ordine dei µs (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) Rivelatori di Particelle 6

7 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. Rivelatori di Particelle 7

8 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 ~ coppie elettrone lacuna. La capacità di un fotodiodo è pf. Q=1.6x10-19 x3x10 4 ~5x10-15 C V=Q/C~5x10-15 x10 11 ~5x10-4 V=0.5 mv Devo amplificare il segnale Rivelatori di Particelle 8

9 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. Rivelatori di Particelle 9

10 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. Rivelatori di Particelle 10

11 Amplificatori di carica Se l apparato è fatto di semiconduttori con piccola capacità C det (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. Rivelatori di Particelle 11

12 Amplificatori di voltaggio Si usa un amplificatore in voltaggio quando l apparato ha una capacità C det grande quindi in grado di integrare la carica rilasciata e convertirla in un segnale in voltaggio V i =Q/ C det. Per avere un guadagno stabile la capacità del circuito d ingresso deve essere costante. feedback R R f inverte V in -A V out 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. Rivelatori di Particelle 12

13 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 13

14 Discriminatori e Formatori Rumore Rivelatori di Particelle 14

15 Discriminatori Rivelatori di Particelle 15

16 Discriminatori e Formatori Una quantità molto utile è l ENC (equivalente in carica del rumore): F v ed F i sono dei fattori numerici che dipendono dai dettagli dei filtri per il rumore. t(ns) tempo di picco del formatore C i (pf) capacità totale d ingresso (include sia la capacità dell apparato che quella dell amplificatore). densità equivalenti del voltaggio e della corrente del rumore. Rivelatori di Particelle 16

17 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 0-1 a 1mA V -0.9 V mA 2 5 V V NIM= Nuclear Instrument Module TTL=Transistor-Transistor Logic ECL=Emitter Coupled Logic Rivelatori di Particelle 17

18 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). Rivelatori di Particelle 18

19 Discriminatori Un applicazione del discriminatore a soglia (discriminatore differenziale) è fornita dal multicanale. Un amplificatore differenziale è indicato in figura: V in + V 2 V 2 - & V out V 1 V Vengono accettati solo segnali di ampiezza compresa fra V 1 e V 2. Se mettiamo assieme molti amplificatori differenziali (con diverse soglie) ( ) possiamo analizzare e riprodurre tutto lo spettro delle ampiezze dei segnali. Rivelatori di Particelle 19

20 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 τx2 n, dove τ è il periodo del clock. Usando clock MHz e 10 bit t=20-5 µs. Rivelatori di Particelle 20

21 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 V in con ½ V max se V in > ½ V max il bit va ad 1 (MSB) e viene posto ad 1 anche il bit successivo. (e.g. 8 bit MSB = ½ V max +1/4 V max = ¾ V max ). Se invece V in < ½ V max si scrive e si paragona con 1/4 V max e via di seguito. In questo caso servono solo τxn passaggi per n bit.(in questo esempio n=8) D/A Converter V in Comparator Logic Unit Buffer Clock Register Rivelatori di Particelle 21

22 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 2 n comparatori che lavorano in parallelo e contemporaneamente 2 n voltaggi di riferimento che suddividono l ampiezza del segnale in 2 n livelli (non necessariamente uguali). Rivelatori di Particelle 22

23 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. Rivelatori di Particelle 23

24 FADC Lezione 21 Convertitori 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. Rivelatori di Particelle 24

25 TDC Lezione 21 Convertitori 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. Rivelatori di Particelle 25