Introduzione alla Elettronica Nucleare Segnali impulsivi definizioni il dominio delle frequenze la banda passante

A. Cardini / INFN Cagliari 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

A. Cardini / INFN Cagliari 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

A. Cardini / INFN Cagliari 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

A. Cardini / INFN Cagliari Segnali lenti e veloci Distingueremo nel seguito segnali veloci e lenti: Veloci: tempi di salita di alcuni nanosecondi o meno Lenti: tempi di salita di ~100 ns o piu’ 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 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

A. Cardini / INFN Cagliari 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 Dove g() e’ la trasformata di Fourier di f(t). Invertendo si ha 13-03-2006 A. Cardini / INFN Cagliari

A. Cardini / INFN Cagliari 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

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

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