Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

Indice degli argomenti trattati

Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 2

Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

Perdita di energia per ionizzazione

Radiazione Cerenkov

Radiazione di transizione

Bremsstrahlung

Interazione dei fotoni con la materia

o Effetto fotoelettrico

o Effetto Compton

o Produzione di coppie



Interazioni nucleari

Interazioni deboli

Rivelatori di particelle funzionanti con miscele gassose

Camere a ionizzazione

Camere proporzionali

Geometria cilindrica

Carica spaziale

Sviluppo del segnale in un contatore proporzionale

Nuovi sviluppi

Micro Strip Gas Chamber (MSGC)

Gas electron Multiplier (GEM)



Elettronica di front-end

Sistema rivelatore-preamplificatore

Sorgenti di rumore e tipi di misure

Risposta del preamplificatore

Valore ottimale Cin preamplificatore

Selezione dello stadio di ingresso

Sorgenti di rumore – spettro in potenza

Sorgenti di rumore per un transistore bipolare

Analisi del rumore per le tre configurazioni CF, CB, CA

Selezione del filtro

Circuito di cancellazione polo-zero

Rivelatori con alte Cdet



Perdita di energia per ionizzazione

Radiazione Cerenkov Radiazione di transizione Bremsstrahlung Produzione di coppie

Fenomeni associati al passaggio di particelle relativistiche attraverso la materia




dE/dx (perdita di energia) per ionizzazione tipo di radiazione energia delle particelle tipo di materiale

2

2

9.0

2222

22

1

1

16

2ln/7.30

cv

c

v

ZeVI

I

mc

A

ZkgmkeV

dx

dE

Equazione di Bethe-Bloch

Effetto relativistico (contrazione di Lorentz nella coordinata x) causa aumento densità del mezzo (10% solidi/50% gas)

Perdita di energia per ionizzazione normalizzata per argon liquido (densità = 1.4x103 kg/m3)


Minimo per 3.5

I= potenziale di ionizzazione (13.5 eV gas / 1 keV piombo)


kgmMeVdx

dE/2.0 2

min

Approssimazione della perdita di energia per ionizzazione

Es. Quanta energia rilascia un da 10 GeVche attraversa una persona ?

MeVxdX

dE

mMeVkgmMeVdx

dE

mc

E

340

/200)/2.0()( 2

2

E

è depositata energial' m 1.70 alta persona una per

)kg/m 10( acqua densità umano corpo densità assumendo

100) MeV 106(mc icarelativist particella

33

2



Radiazione Cerenkov

Velocità della luce in un mezzo con indice rifrazione n è c/n.

Particella relativistica più veloce della luce nel mezzo.

Emissione radiazione coerente ad un angolo determinato dalla sua velocità e dall’indice di rifrazione del mezzo

n

nc

vn

cv

1cos

11

emissione angolo

assumendo

Cerenkov

radiazione emissione per condizione

Spettro energetico continuo; una

frazione significativa è nel visibile



Radiazione Cerenkov

Esempio : dato l’indice di rifrazione per l’acqua = 1.33 determinare :

a) La soglia in energia nel caso di un elettrone incidente per generare la radiazione Cerenkov.

b) L’angolo di emissione della radiazione Cerenkov per un elettrone da 500 MeV nell’acqua

a)

MeVMeV

E

n

nmcmcmcE

nc

v

n

cv

775.01)33.1(

)33.1)(511.0(

11

1

2

2

2

2

22

ntenumericame

da data quindi è energia in soglia la

o

è Cerenkov radiazione la per limite velocita' la

b)

72)33.1

1cos(

1cos1

100

11

1cos

22

2

ar

n

mc

Emc

Ec

v

n

ntenumericame

a,conseguenz di e,

ha si0.511MeV ed

MeV 500 Per . con



Radiazione di transizione

E’ la radiazione emessa quando una particella carica relativistica attraversa il confine tra due mezzi.

Può essere pensata come generata dall’accellerazione apparente della particella dovuta al cambiamento nell’indice di rifrazione al confine tra i due mezzi.

La radiazione di transizione è coerente ed è concentrata in un angolo uguale a 1/ rispetto alla direzione della particella incidente.



Bremsstrahlung

Elettroni e positroni, come conseguenza della massa ridotta, perdono energia anche per bremsstrahlung (braking radiation) nell’attraversare la materia.

Processo causato da interazione elettromagnetica con nucleo atomico in cui viene generato un fotone (e- + N e- + N + o e+ + N e+ + N + )

Per elettroni dE/dx dovuto a Bremsstrahlung domina per E > pochi MeV

Parametro fondamentale dei materiali è la lunghezza di radiazione (0) definita come la distanza in cui l’energia di un elettrone è

ridotta di un fattore 1/e per Bremsstrahlung (dE/E=-dx/ 0).



Interazione dei fotoni con la materia

Effetto fotoelettrico : radiazione em incidente sulla superfice di un metallo può estrarre elettroni. Il fotone è una particella caratterizzata da energia e momento, ma con massa nulla. La massima energia cinetica dell’elettrone estratto è

Ek max = hf- con = potenziale di estrazione del metallo

Esempio : Qual’è l’energia associata ai fotoni con lunghezza d’onda 400 nm < < 700 nm (visibile)

eVnm

nmeVhcE

eVnm

nmeVhcE

hchfE

fotone

fotone

fotone

8.1700

1240

1.3400

1240



Effetto Compton Interazione tra un fotone e

un elettrone del materiale assorbente

Fotone deviato di un angolo . Tutti gli angoli sono possibili energia trasferita ad elettrone può variare da zero ad un frazione consistente dell’energia del .

cos1221

mc

hc

Parte dell’energia iniziale è sempre mantenuta dal fotone incidente



Produzione di coppie

Energicamente possibile se energia incidente maggiore di 2 volte la massa a riposo dell’elettrone (0.511 MeV).

Probabilità di interazione bassa fino ad energie di alcuni MeV processo valido solo per di alte energie.

Nell’interazione il fotone scompare e viene generata una coppia elettrone-positrone.

2 fotoni vengono generati successivamente dall’annichilazione del positrone.



Interazioni nucleari Adrone energetico (,K,N,P) che attraversa la materia

interazione nucleare.

Un materiale può essere caratterizzato dal parametro 0 (lunghezza di interazione).

0 = distanza alla quale un neutrone da 100 GeV ha una probabilità 1/e di non avere un’interazione anelastica con un nucleo.

Interazioni deboli

Il neutrino nell’attraversare la materia non subisce nessuna delle interazioni descritte precedentemente la materia è quasi trasparente per questa particella.

Il neutrino ha bassa probabilità di essere rivelato direttamente (anche con un rivelatore di grandi dimensioni).

Es. La sezione d’urto di un neutrino da 100 GeV è 9 ordini di grandezza più piccola di quella di un neutrone sarebbero necessari 109 m cemento per assorbirlo

Per rivelare direttamente i neutrini è necessario un fascio intenso di queste particelle incidente su un rivelatore di grandi dimensioni.


Raccolta di tutte le cariche create per ionizzazione diretta attraverso l’applicazione di un campo elettrico.

Funzionamento DC o impulsivo.

Tipicamente necessari 30-35 eV per creare coppia.

Fluttuazioni inferiori di quanto previsto da distribuzione Poisson (fluttuazioni caratterizzate da dev. Stand.

) Fano factor


Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione


coppieN

Costante empirica che moltiplicata per la varianza produce il valore osservato

La carica raccolta dipende anche da fenomeni di ricombinazione (sia iniziale che nel volume del rivelatore)




IONI

Cammino libero medio (NO campo elettrico) 10-6 – 10-8 m

Con campo elettrico

vdrift = (/P)

costante per ampi range di e P; tipicamente = 1-1.5 10-4 m2

atm/(Vs)

Es. P=1 atm, =104 V/m vdrift 1 m/s

1 ms per attraversare 1 cm.

ELETTRONI

Massa elettroni inferiore vdrift elettr. 1000 vdrift ioni tempo raccolta

elettroni s

Mobilità

Funzionamento in DC



Viene misurata la corrente di ionizzazione.

Per misurare piccole correnti di ionizzazione tecnica di integrazione della carica su un periodo di tempo T.

C

QV

Funzionamento in modo impulsivo

Si guadagna in sensibilità nella misura dell’energia rilasciata nel rivelatore dalla radiazione incidente.

Particella ionizzante coppie di ioni derivano verso elettrodi carica indotta sugli elettrodi V ai capi di R V max quando tutta la carica raccolta ritorno alle condizioni di equilibrio (V0) con =RC



Funzionamento in modo impulsivo

RC grande (> ms)

tutti gli ioni vengono raccolti

rivelatore puo’ funzionare solo ad una rate molto bassa

RC piccola ( s)

Ampiezza impulso dipende solo dalla deriva degli elettroni (tempi di salita e discesa più rapidi)

rivelatore puo’ funzionare con una rate più alta



Circuito esterno grande energia necessaria per movimento cariche derivata da energia immagazzinata inizialmente nella camera (1/2 CV2)

Energia necessaria per il moto delle cariche = Q

n0eVariazione nel potenziale elettrico = E x distanza attraversata

Energia iniziale = energia assorbita dagli ioni + energia assorbita dagli elettroni + energia rimanente

200

20 2

1

2

1chCVtventvenCV

tvvdC

enVR )(0

0R V V per

Porzione iniziale del segnale ha una salita lineare

tvvd

VenVVVVC ch

chch

0002

1

2V0 VRVR/d



INDUZIONE

un percorso di deriva pari a v+t genera una caduta di potenziale

nella camera pari a n0ev+t/dC. Stesso effetto si avrebbe riducendo la carica immagazzinata in una capacità C di una quantità

n0ev+t/d si può immaginare che il moto ionico induca una carica

n0ev+t/d .

max00 VC

enxxd

dC

enVR

Elettroni raggiungono anodo

dopo tempo t-=x/v-; ioni raggiungono catodo dopo un

tempo t+=(d-x)/v+

d

x

C

enVelec 0

Ampiezza impulso funzione della posizione (x) in cui sono stati generati gli elettroni

V

pF

CV

coppiaeV

eVn

C

enV 46

100

106.11086.21086.2

3510 194

max4

6

00

max

pF 100 C assumendo ;

neionizzazio a camera una di internoall' energia

sua la tutta perde cheMeV 1 da ionizzante particella una da generata impulsodell' ampiezzadell' calcolo : Es


Rivelatori di particelle-contatori proporzionali

Sfruttano la moltiplicazione nel gas per amplificare la carica generata dalla ionizzazione primaria

Camere proporzionali

Il valore di soglia del campo elettrico per avere ionizzazzione secondaria alla pressione atmosferica è dell’ordine di 106 V/m

n(x)=n(0)ex

Coefficente di Townsend

Regioni di funzionamento di un rivelatore a gas

Energia delle particelle incidenti



Geometria cilindricaVantaggi

catodo del raggio

anododell' raggio

catodo-anodo tensione

b

a

Va

br

Vr

)ln()(

Valori di campo elevati sono raggiunti solo vicino al filo (circa un cilindro compreso entro 5 raggi anodici).

Regione di moltiplicazione confinata in una zona molto piccola del rivelatore moltiplicazione unifome per tutte le coppie di primari.

Es. Dati V=2000 V, a = 80 , b= 1cm = 5.18x106 V/m. Per ottenere lo stesso campo con una geometria a piatti paralleli spaziati di 1 cm servirebbe una ddp di circa 52 kV !!!



Effetti di carica spaziale

Problemi connessi agli effetti di moltiplicazione nel gas

22

0

2

0

10

AnnQAnQ

Contributo dovuto alla fluttuazione del numero di primari

Contributo dovuto alla fluttuazione del fattore di moltiplicazione per singolo elettrone

0n

F 0.05-0.2

Campi elettrici bassi

1)(2/

AA

eAP A

AA

Campi elettrici elevati (Polya)

A

A

A

AAP

)1(exp

)1()(

0 < < 1 (parametro dipendende dalla frazione di elettroni con E > Eion)

5.0)1(

1

12

2

b

bAA

A

100A



Rispetto alle camere a ionizzazione :Sviluppo del

segnale in un contatore proporzionale

Come per la camera a ionizzazione a piatti piani paralleli

VR=Q/C

Valida per RC > tempo raccolta ioni

tutte le cariche si originano nella regione di moltiplicazione

Tempo di deriva e tempo di moltiplicazione

Contributo induzione ioni primari trascurabile.

Tempo di deriva >> tempo di moltiplicazione (in genere)

moltiplicazione a pochi raggi dal filo

segnale di uscita generato da moto ioni positivi.

Inizialmente ioni positivi si muovono in campo elevato moto rapido parte rapida del segnale

Successivamente zona a raggio più grande moto lento parte lenta del segnale



In pratica la condizione RC > tempo raccolta ioni non si verifica mai per i contatori proporzionali

a

a

ab

QVE

a

b

ab

QVE

lnln

lnln

0

0

L’ampiezza dell’impulso dipende quindi dalla forma del segnale di uscita.

INOLTRE : il contributo degli elettroni al segnale generato è trascurabile(metà del segnale viene generato a meno di un cammino libero medio dall’anodo)

Energia assorbita dal moto ionico

ab

aa

E

E

ln

lnEs. dati a = 25, b =

1cm ed assumendo =

3 E-/E+ 0,02 il contributo del moto degli elettroni al segnale è del 2%

Condizione di ionizzazione estesa

Ionizzazione a distanza fissa (tempo di drift costante)



bat

abtr

tba

att

a

bpa

V

abC

QtVR

CVtEtVR

a

tr

abr

VQ

r

dr

abr

VQtE

abr

VQrQ

dr

dEdr

rdr

QddE

d

QdE

Va

bpabt

at

abV

ptr

ampiezzamezza

ampiezzamezza

ampiezzamezza

tr

a

1

1ln

2ln

ln

1

)()(

)(ln

lnln)(

ln)(

)()(

2

ln

ln2

21

2

0

0

0

)(

0

0

0

22

20

segnale del temporale profilo assumendo

: diventa

tempo del funzione in positivi ioni dagli assorbita l'energia

cilindrica geometria una per elettrico campo del ssionedall'espre e

)( ddp una

attraverso attraverso moto loro nel )( positivi ioni dagli )( assorbita iaDall'energ

positivi. ioni gli tutti eraccoglier per necessario tempo

b r(t) per

N.B. Dato a=25 m e b=1 cm metà ampiezza del segnale è raggiunta dopo lo 0.25% del tempo di deriva (una frazione di s) e gli ioni si sono mossi di 480 m dalla superfice del filo

Inoltre : quanto detto è valido se la ionizzazione avviene ad un raggio fisso. Se si considera una traccia si ha un ulteriore spread generato dal tempo di drift degli elettroni.

Ballistic deficit : parte del segnale perso a causa della formazione. L’effetto è peggiorato dalla distribuzione radiale della ionizzazione


Rivelatori di particelle-sviluppi

1908 : Primo contatore proporzionale

Hans Geiger – Ernest Rutherford

1968 : Multiwire Proportional Chamber

Georges Charpak at CERN


Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)

1998 : Micro Strip Gas Chamber

Anton Oed (Grenoble)



Layout del primo prototipo di MSGC

Struttura delle linee di campo per una MSGC

Two track resolution & rate capability



MSGC

PRO

Alta rate ( > 106

Hz/mm2)

Risoluzione spaziale

( 40 m con misura centro di carica)

MSGC

CONTRO

La rate max è funzione del substrato

Ageing e scariche



Ageing (contaminazione)

Rate in funzione del substrato

Passivazione dei catodi per prevenire scariche


Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)

2000 : Gas Electron Multiplier

• Deposito di 5 m di rame su substrato di kapton da 50 m.

• Diametro dei fori : 80 m

• Passo dei fori : 140 m

Sauli (CERN)


Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)Geometria rivelatore basato su singola GEM

Guadagno

Guadagno in funzione della dimensione dei fori



Geometria rivelatore basato su doppia GEM

Guadagno

GEM1, GEM2, GEM1+GEM2



GEM

PRO

Rate molto alta.

Risoluzione spaziale con centroide di carica 40 m (pitch strips = 200 m).

Risoluzione spaziale con lettura digitale 60 m (pitch strips = 200 m).

Dimensioni 32x32 cm2.

CONTRO

Sistema di alimentazione per le alte tensioni complesso.

Scariche sugli elettrodi di readout (il rivelatore non è dannegiato dalle scariche; problemi con l’elettronica di front-end).


Rivelatori di particelle-elettronica di front-end

Camera a deriva dell’esperimento KLOE

raggio = 1.9 mt

lunghezza = 3.3 mt

12582 fili di sense

37746 fili di campo (rapporto 3:1)

miscela = 90% He-10% iC4H10

R= 200 m

Z= 0.5 cm



KLKS


Rivelatore di particelle

Converte l’energia depositata in una carica elettrica

Q=KE Es. Per Si K=278 e/keV

Preamplificatore

Converte la carica Q in una tensione con un contributo minimo di rumore

Rivelatore

E

Preamplificatore

Amplificatore-Formatore

INTRODUZIONE


Ottimizzazione della risposta di un rivelatore

Progettare il rivelatore in modo da massimizzarne la risposta

Ridurre il noise al livello delle sorgenti di rumore

Ottimizzare il filtro del segnale

Non sempre possibile (ageing)Misure di energia o di tempo ?

tempi

Si possono utilizzare pochi elettroni costante di tempo piccola (< 100 ns)

energia

E’ richiesto un tempo di integrazione più grande (> 100 ns)

Rivelatori a ionizzazione

Sorgenti capacitive di carica

Generatore di corrente con capacità in parallelo

Rumore serie legato ai meccanismi di amplificazione.

Rumore parallelo causato da imperfezioni nell’amplificatore o nel rivelatore (correnti di perdita)

e ad elementi dissipativi (Rp) connessi all’ingresso

Rumore espresso in ENC ed è importante solo se contribuisce in uscita al filtro fondamentale la conoscenza della funzione di trasferimento del filtro utilizzato





Risposta del Preamplificatore

Amp

Polo-zero

(x preamp) Amp

Polo-zero

(x rivelatore)

Valori RfCf piccoli

rumore maggiore

x eliminare problemi pile-up dovuti alla forma del segnale generato dal rivelatore

MisuraEnergia

Tempo

Formazione unipolare

Formazione bipolare

-input response

Detector response



Rumore rumore ...

• 1 m filo 10 pF

• strip silicio 1pF/cm

Parallel noiseSeries noise

Cd 10pF

primo : Cin pre e Criv dovrebbero essere uguali altrimenti rumore in uscita peggiore di un fattore

Detector capacitance (pF)

Noise value (Pre in capacitance = 5pF)

1 1.3

5 1

25 1.3

500 5.1

d

p

p

d

C

C

C

C

2

1

Pre-rivelatore

Capacità rivelatore

Capacità ingresso Pre

Per rivelatori ad alta capacità possibile utilizzare trasformatore per

adattare la Cin del Pre (Cin_trasf = n2Cin_pre, Rin_trasf = Rin_pre/n2)



secondo: quale stadio di ingresso ?

Il segnale di uscita ha la stessa forma del segnale in corrente generato dal rivelatore

RsQI

sVu )(

)(In condizioni ideali (guadagno infinito/ft

infinite)

ff

fu

CsR

R

sQI

sV

1)(

)( LL

Lu

CsR

R

sQI

sV

1)(

)(

Richiesto circuito di cancellazione polo-zero

affinché Vu(t) riproduca il

segnale in corrente del rivelatore.

Richiesto circuito di cancellazione polo-zero

affinché Vu(t) riproduca il

segnale in corrente del rivelatore.

In condizioni reali

Zin induttiva a causa

del polo a s=-1/R1C1

Zin resistiva e stabile

per f<ft [(KT/qIE)(Cc/Cf)].

Zin resistiva e stabile

per f<ft [(KT/qIE)].



Generatore di rumore espresso nel dominio della frequenza dallo spettro in potenza

Hz

Vfvn

2

0

2

1 Hz

f0

WattfvP

R

nd 0

2

1

Sorgente di rumore fornisce una potenza in Watt pari alla sua grandezza quando è connessa ad

una resistenza di 1 attraverso un filtro ideale con BW= 1Hz centrato in f0

H(s)Effetto del filtro sulla risposta del

sistema2niv

222)( jHvv ninu

Es. Sorgente di rumore bianco collegata ad un filtro CR (passa alto)

2niv

f

2nuv

f

Hz

V 2

Hz

V 2

Rumore bianco

Rumore bianco

2

222

2222

222

2222

11)(

1)(

1)(

ninu vCR

CRv

CR

CRjH

RCj

RCjjH

sRC

sRCsH

Sorgenti di rumore – spettro di potenza



222

22

2'

2

2

2

14

SPTOT

BB

mBB

s

ENCENCENC

HzIqIdf

id

HzVg

rKTdf

ed

contributi due i Sommando

dalle dato è potenza in spettro cui il

tiindipenden sorgenti due con abileschematizz

è bipolare etransistor un in rumore Il

Analisi del rumore

Configurazione CB

0

2'

22

0

2

121

2

)('2

14

2

1

)(11

422

1

dttWg

rKTCENC

dttWRR

KTIIqENC

mBBinS

LBBP

Configurazione CF & CA

0

2'

22

0

21

2

)('2

14

2

1

)(1

422

1

dttWg

rKTCENC

dttWR

KTqIENC

mBBinS

fBP

Cin= capacità totale in

ingresso

W(t) e W’(t) = funzioni peso

N.B. Rf CA >> Rf CF

rumore parallelo inferiore



Es. transistore con hFE=65

e IC=1 mA

time-variant

time-invariant Amplificatore CF

Amplificatore CB

Amplificatore CA

ENC (Cin = 0) 2000

e ( 17 keV per Si)

Pendenza 20 e/pF

( 170 eV/pF per Si)

ENCS

ENCT



Rapporto S/N in funzione del filtro utilizzato (le costanti di tempo sono state selezionate in modo da minimizzare il rumore)

Formazione CR-RC

/21

//

21

1 21

tout

ttout

eV

Vper

eeV

V

N.B. se confrontabile con tempo salita segnale ballistic deficit

Formazione CR-(RC)”

Stadio CR seguito da

n stadi RC (n 4). Se costanti di tempo ugualiRispetto alla

formazione CR-RC

ritorno più rapido allo zero

migliore S/N

/t

n

out eV

V

Peaking time = n

terzo: quale filtro ?



Cancellazione polo-zero

Tempo decadimento preamplicatore (caso CA) lungo, ma non infinito

Se si usa un filtro CR-RC undershoot (errore nelle misure di ampiezza o di carica)

Circuito cancellazione polo-zero

21

21

2

1

2

11112

11

1

1

1

kks

CRper

CRsCRs

CsR

pz

pzpz

pz

con

Funzione trasferimento



Misura dei tempi con un contatore proporzionale

Es.

Supponendo di avere un sistema composto da

un contatore proporzionale funzionante con una miscela gassosa caratterizzata da un tempo di deriva di 200 ns/cm e da Cdet = 30 pF

un preamplificatore con tr=10 ns con un ENC @ 30 pF 1900 e rms

Determinare il guadagno nel gas necessario per ottenere una x 100 m

La carica minima richiesta in ingresso al preamplificatore può essere determinata dalla

Dal tempo di deriva t 2ns Qeff 2x104 e. Se il t0 del gas utilizzato è

tale che in 10 ns viene raccolta solo 1/5 della valanga e possiamo raccogliere 2 elettroni

Si richiede un’amplificazione nel gas > 2x104x5/2 = 5x104

t

reff t

ENC

Q



1966 Primo preamplificatore di carica monolitico

Tecnologia bipolare con transistori (superbeta) bipolari

Corrente di polarizzazione 50 A

Noise 3000 e rms

tempo di salita 1 s



Caratteristice VTX

N. Canali : 6

Tensione di alimentazione 4 V

Ingressi : unipolari (segnale e massa)

Tensione in ingresso : 0.7 V

Zin : 130 ohms

Uscite : 6 unipolari (richiesti resistori polarizzazione esterni)

Tensione di uscita : 1.0V

Zout : 43 ohm

Tensione in ingresso : 0.7 V

Zin : 130 ohms

Guadagno : 1mV/fC (43 ohm load)

Tempo di salita : 5 nS

Tempo di discesa : 16 nS

Range –400/+20 fC

Pd : 10 mW/canale

Rumore in ingresso : 860 e + 47 e/pF (100 MHz BW)

Crosstalk : < 0.5%

1966



2000

Candidati elettronica FE wire pad chamber (LHC-b)

Modello PNPI SONY ASDQ

Tecnologia Componenti discreti

SONY bipolare

MAXIM Bipolare

Resistenza di ingresso 25 80 260

Peaking time (Cdet=0pF) 4 ns 11 ns 8 ns

Peaking time (Cdet=100pF) 7 ns 20 ns

ENC (Cin=10 pF) 1800 e 1500 e 2300 e

Sensitivity (Cdet=0pF) 10mV/fC 5.6mV/fC 3mV/fC

Sensitivity (Cdet=100pF) 6mV/fC 3.5mV/fC

Radiation Limit 50 kRad 5 MRad

Av. Pulsewidth (Cin=100 pF)

60 nS 90 ns 25 ns

Baseline restoration no yes yes

Max rate tested 1 MHz 15 MHz

Channels/Chip 4 8

Power consumption/channel 59 mW 40 mW

Cost per channel 1.7 SFr 4 SFr



Ma se Cdet > 100 pF ?!?!

Preamplificatori monolitici includono ... Stadi di ingresso differenziali

formatori

baseline restorer

discriminatori

driver di uscita e ...

gadget vari

Q1 guadagno in corrente

guadagno in tensione gm1re2 ( 1)

Q2 guadagno in tensione = RC/re2

Il guadagno in tensione del circuito è gm RC

( a quello del singolo CE, ma la BW di Q1 è massimizzata).

La configurazione cascode permette di raggiungere un tempo di salita di 1.5 ns ed un guadagno di 2.5 mV/fC.

Una carica in ingresso Qin dovrebbe essere

integrata nel condensatore Cf e generare una

tensione in uscita pari a Qin/ Cf.



In realtà ...

Vout Qin/ Cfx con Cfx = Cf + C + 2Ccb+ Cdet/A Cf + Cdet/A

C e Ccb si riferiscono a Q1 e A 100 (gm 15mA/V Ie1=0.4

mA),

La tensione di uscita si dimezza per Cdet 40 pF

Inoltre Rin troppo alta

Ie=1 mA Rin =1/gm 25





Selezione del dispositivo di ingresso

Tecnologia Bipolare

I dispositivi bipolari offrono:

Un GPB=gm/C0

Una bassa Cin

Il miglior rapporto gm/I

per bassi consumi

Ma

La corrente di base contribuisce al rumore parallelo

il guadagno in corrente () deve essere alto.

La resistenza RBB’ peggiora il

rumore serie

OK per un tempo di formazione intorno ai 50-100 ns

Tecnologia CMOS

Il dispositivo di ingresso non introduce rumore parallelo

Le condizioni di lavoro possono essere scelte in modo

da massimizzare gm/Id

Ma

Il rumore 1/f limita le prestazioni a basse frequenze.

I dispositivi a canale p hanno rumore 1/f inferiore rispetto ai dispositivi a canale n

Fissata una potenza i dispositivi a canale n hanno migliori prestazioni in termini di velocità e rumore

Ok per un tempo di

formazione nel range 20 ns – 2 s

Tecnologia J-FET

Molto buona per applicazioni in cui il rumore di bassa frequenza è critico

Ma

Non può essere facilmente implementata in un circuito monolitico.

Tecnologia BICMOS

OK per progetti a basso rumore, bassa potenza dissipata ed alta velocità.



Design approach and circuit configuration selection

Design procedure

a. Select the input device.

b. Determine the 1/f corner noise frequecy.

c. Determine the corner noise time constant.

d. Size the input device for detector matching.

e. Bias the input device for noise and speed specs

f. Select a circuit configuration

g. Identify parasitic noise contributions.

h. Estimate seconde stage noise sources

i. Clarify the weighting of specs speed-noise-power trade off optimisation

Current mode (transimpedance) preamplifier

No pile-up.

Very fast.

but

Additional parallel noise from feedback resistor and current sources.

Charge (pre)amplifier

Best choice for low noise application. Minimum parallel noise.

but

Needs an additional differentiator stage

Pile-up.

Gain is determined by on-chip capacitor.



L’ENC del preamplificatore è bassissimo ma ...

Attenzione ai loop di massa ....!!!!!!!



quarto problema : che cavi utilizzo ? Il tipo di cavo da utilizzare dipende dal tipo di segnale da trasmettere (analogico/digitale) e (purtroppo) dal costo per canale

Nessuno schermo per campi magnetici (configurazione di riferimento)

Documents

Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end