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Amplificatore BroadBand per Fotomoltiplicatori e SiPM

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Descriviamo, in questo post, l’utilizzo di un dispositivo MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) come elettronica di front end per l’amplificazione dei segnali generati da un fotomoltiplicatore. Questo tipo di dispositivo ha il vantaggio di offrire una banda molto larga (fino a 2GHz nel nostro caso), basso rumore, e di avere un prezzo molto competitivo.
Con una banda da 2GHz è possibile amplificare fedelmente impulsi molto brevi, fino a 10ns, in modo da conservare il timing originale dell’impulso.

Questi dispositivi si trovano facilmente sul mercato online e arrivano praticamente pronti per essere utilizzati, dato che richiedono soltanto la connessione di una sorgente di alimentazione.

Il “cuore” dell’amplificatore è il MMIC (amplificatore monolitico integrato come INA-02184 e INA-02186). Questi dispositivi sono progettati per applicazioni che richiedono alto guadagno, larga banda e basso rumore, come ad esempio i circuiti di amplificazione RF.
Nella figura sotto riportiamo lo schema dell’amplificatore.

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Il modulo che abbiamo utilizzato ha le seguenti caratteristiche :

Frequency: 1-2000MHz
Gain: Gp>30dB
Noise figure: 2dB @500MHz
Output power: P1db>13dBm
Power supply voltage: 9-12V
Working current: about 30-40mA
Maximum output power 12dBm (P1dB) (1-2000MHz)
Size: 6 x 2.6cm

L’amplificatore a larga banda è stato utilizzato nei seguenti tre casi :

  • Rilevatore Cherenkov
  • Photon Counter
  • SiPM con cristallo scintillatore LYSO

Rilevatore Cherenkov

img_20160903_153632L’amplificatore BroadBand è stato posto all’uscita del rivelatore, su di una resistenza di carico di 50Ω. Anche all’uscita dell’amplificatore viene posta una resistenza di carico di  50Ω, in parallelo alla quale viene prelevato il segnale amplificato. L’immagine a lato mostra il setup.
Il segnale prima della amplificazione è di ampiezza molto bassa, all’uscita dell’amplificatore si ottiene un impulso amplificato di circa 30dB con un basso livello di rumore ed una durata pari a quella originale.
I tracciati riportati sotto mostrano il segnale prima e dopo l’amplificazione.

Segnale prima della amplificazione : 5mVpp – 80ns
Segnale dopo l’amplificazione : 100mVpp – 80ns

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Photon Counter

img_20160905_210435Come per il rivelatore Cherenkov, anche per il photon counter l’amplificatore BroadBand è stato posto all’uscita del PMT, su di una resistenza di carico di 50Ω. Anche all’uscita dell’amplificatore viene posta una resistenza di carico di  50Ω, in parallelo alla quale viene prelevato il segnale amplificato. L’immagine riportata a lato mostra il setup.
Il segnale prima della amplificazione è di ampiezza piuttosto bassa, all’uscita dell’amplificatore si ottiene un impulso amplificato di circa 30dB con un basso livello di rumore ed un profilo temporale uguale a quella originale.
I tracciati riportati sotto mostrano il segnale prima e dopo l’amplificazione.

Segnale prima della amplificazione : 10mVpp – 120ns
Segnale dopo l’amplificazione : 150mVpp – 120ns

photons

photonsamplibb

SiPM

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Il test con il SiPM è stato condotto utilizzando il setup mostrato nella figura a lato. Anche in questo caso sono state utilizzate in input ed output resistenze di carico da 50Ω.
Nel caso del SiPM il segnale pre-amplificazione ha già una ampiezza non trascurabile. In uscita si ottiene comunque un bel segnale di quasi 1V con una durata inferiore ai 200ns.

Segnale prima della amplificazione : 30mVpp – 200ns
Segnale dopo l’amplificazione : 800mVpp – 200ns

sipm

sipmbbampli

Conclusioni

Possiamo concludere che dai test effettuati risulta che il modulo amplificatore BroadBand basato su MMIC può essere convenientemente utilizzato per l’amplificazione di segnali prodotti da PMT e SiPM.
I principali vantaggi sono :
– Ampia banda
– Basso rumore
– Basso costo

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