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Shaping dei segnali analogici da rivelatori di particelle (Parte 2) Preamplificatori e Shaper Pole-Zero Cancellation Baseline Shift e Baseline Restoration.

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Presentazione sul tema: "Shaping dei segnali analogici da rivelatori di particelle (Parte 2) Preamplificatori e Shaper Pole-Zero Cancellation Baseline Shift e Baseline Restoration."— Transcript della presentazione:

1 Shaping dei segnali analogici da rivelatori di particelle (Parte 2) Preamplificatori e Shaper Pole-Zero Cancellation Baseline Shift e Baseline Restoration Conclusioni

2 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari2 Preamplificatori e Shaper Preamplificatore Shaper (t) Q/C (t) IO In un mondo ideale, queste sono le funzioni di un preamplificatore e di uno shaper: Preamplificatore si tratta di un integratore ideale: solitamente rivela cariche del tipo Q (t). In uscita e presente uno scalino in tensione proporzionale a Q/C. Il guadagno e solitamente elevato per fare si che il rumore che si aggiunge negli stadi successivi di amplificazione sia trascurabile Shaper si tratta di un filtro per fornire un segnale in uscita predefinito, e per rigettare le componenti di rumore che sono fuori dallintervallo di frequenze del segnale

3 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari3 Preamplificatore di Carica I rivelatori di radiazione tipicamente producono una carica La carica prodotta viene vista come una differenza di potenziale ai capi della capacita intrinseca del rivelatore (piu una qualsiasi altra capacita parassita in parallelo) pari a V=Q/C tot Lampiezza del segnale dipende quindi da C tot. In alcuni casi pero non si puo garantire che C tot resti costante (nei rivelatori a semiconduttore C tot varia al variare della temperatura). Per questo motivo non viene solitamente usato un normale amplificatore di tensione Questi problemi possono essere superati usando un amplificatore di carica, per il quale si puo dimostrare che V -Q/C f nellipotesi che A sia grande

4 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari4 Preamplificatore + Shaper CR-(RC) N Cf V out N Stadi di integratore Diff Shaper Semi Gaussiano Cd T0T0 T0T0 T0T0

5 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari5 Preamplificatore + Shaper CR-RC Shaper Shaper CR-RC Integratore ideale (t) I O t f t f Q/C (t) Preamplificatore

6 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari6 Preamplificatore + Shaper CR-(RC) 4 Preamplifier Shaper (t) I O t f t f Shaper CR-(RC) 4 Integratore ideale Q/C (t)

7 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari7 Preamplificatori e Shaper Abbiamo visto per ora solo esempi di shaping di segnali di forma a scalino da parte di network CR-(RC) n Questo e il caso limite nel quale il segnale proveniente dal rivelatore viene integrato per un tempo infinito da un preamplificatore ideale di carica Nella realta i segnali provenienti dai preamplificatori hanno un tempo finiti di decadimento (questo viene realizzato mettendo una resistenza in parallelo con la capacita di feedback, necessario per fare si che il sistema possa ritornare alla condizione iniziale) La conseguenza di questo e una modifica visibile nella risposta dello shaper

8 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari8 Preamp reale + Shaper CR-RC Preamplificatore Shaper Shaper CR-RCIntegratore non ideale (t) IO La forma di questo segnale non va bene, la coda lunga puo causare problemi di pile-up con tutte le problematiche viste in precedenza

9 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari9 Preamp reale + Shaper CR-RC (2) Questa lunga coda nasce dal fatto che il CR differenzia la lunga coda del segnale del preamplificatore Si puo curare con il circuito di pole-zero cancellation, detto cosi per via delloperazione matematica fatta con lanalisi delle trasformate di Laplace Possiamo capirlo intuitivamente immaginando che nella resistenza passa una parte del segnale in ingresso e che in qualche modo, avendo segno opposto, annulla lundershoot del segnale Circuito per il pole-zero cancellation

10 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari10 Circuito di Pole-Zero Cancellation V out Rf Cf N Integratori Diff Shaper Semi Gaussiano Cd Cp T0T0 T0T0 Rp Ponendo R p.C p = R f.C f si ottiene la cancellazione richiesta, e in questo modo il secondo circuito produce un segnale che ha la stessa forma che si otteneva con il primo circuito nel caso di un gradino infinitamente lungo Attenzione! Per misure di energia ad elevata risoluzione e necessario una accurata calibrazione di R p

11 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari11 Pole-Zero Cancellation Preamplificatore Shaper Shaper CR-RCIntegratore non ideale (t) IO La forma di questo segnale invece va bene perche il segnale va velocemente a zero

12 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari12 Shift della Baseline Supponiamo di avere un treno di impulsi allingresso del circuito in figura Visto che non ho conduzione di corrente continua attraverso la capacita questo fa si che in tutti i punti a destra della capacita la tensione sia in media a zero (altrimenti scorrerebbe in R 1 fino ad annullarsi) Questo pero implica che la baseline potra finire sotto lo zero per garantire una tensione media nulla in uscita In generale gli impulsi avranno ampiezze diverse e non saranno equidistanti nel tempo, e si avra uno shift della baseline che non sara una costante nel tempo (!) Questo e un problema importante se siamo interessati alla misura dellampiezza del segnale

13 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari13 Come compensare lo shift? In linea di principio, lo shift della baseline puo essere eliminato con uno shaping bipolare dei segnali (in questi segnali i due lobi hanno la stessa area) Si vedra piu avanti che pero le caratteristiche di segnale/rumore sono peggiori per segnali bipolari rispetto a segnali monopolari di uguale durata Si potrebbe quindi usare shaping monopolare a basse rate e bipolare ad alte rate (gli amplificatori commerciali ti permettono di farlo) Lo shift della baseline potrebbe essere eliminato utilizzando solo un collegamento in DC dei vari componenti della catena degli elementi che trattano il segnale. Purtroppo per costruzione la differenziazione e accoppiata in AC Lo shift della baseline e un problema che si avra sempre e che si puo risolvere o con lo shaping bipolare oppure con un baseline-restorer

14 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari14 Active Baseline Restorer Nel caso in cui si vogliano usare segnali monopolari si puo realizzare un circuito che riporti la baseline a zero nel piu breve tempo possibile Il circuito a fianco rappresenta il circuito equivalente di un baseline restorer attivo. Idealmente linterruttore e aperto durante ogni impulso e chiuso subito dopo, per riportare la baseline a zero con una costante tempo (R 0 +R)C Nei circuiti reali il ruolo dellinterruttore e giocato da un diodo o da altri circuiti non lineari piu complessi Per essere efficace la baseline restoration deve avvenire alla fine della catena del segnale, e lo potremo osservare negli amplificatori che useremo nel loro stadio di uscita, che viene solitamente usato per mandare i segnali negli ADC o MCA

15 31-Mar-06A. Cardini / INFN Cagliari15 Conclusioni Il segnale dal rivelatore viene trasformato dalla circuiteria di front-end (preamp + shaper) in modo da: –Avere una risposta lineare del sistema –Formare il segnale per evitare pile-up/baseline-shift –Massimizzare il rapporto segnale/rumore


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