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Il Preamplificatore di Carica

Il preamplificatore di carica (Charge Sensitive Preamplifier) è un dispositivo elettronico in grado di integrare un segnale in corrente fornendo in uscita un segnale in tensione con ampiezza proporzionale alla carica posta in ingresso.
Il segnale prodotto da molti detector è di ampiezza molto bassa e quindi necessita di una adeguata amplificazione. Nel caso in cui il segnale prodotto sia assimilabile ad un impulso di corrente allora è conveniente utilizzare un preamplificatore basato sulla tipologia amplificatore di carica (CSP) : l’impulso di corrente generato dal detector viene convertito in un impulso di tensione mediante la carica di un condensatore.
Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di un preamplificatore di carica :

csp

Risposta di un amplificatore CSP

cspinputl’uscita del preamplificatore CSP è l’integrale nel tempo dell’impulso di corrente prodotto dal fotodiodo. Il tempo di salita del segnale di uscita è approssimativamente uguale alla durata dell’impulso di corrente, la velocità del CSP impone comunque un limite inferiore a questo tempo di salita.
Poiché il CSP produce un’uscita pari ad un gradino di tensione proporzionale all’integrale nel tempo della corrente di ingresso e ricordando che

formula

Risulta che l’uscita del CSP è proporzionale alla carica totale (Q) generata dal rivelatore. Per maggiori durate temporali la risposta di un CSP ad un impulso di corrente prodotto da un rilevatore si configura come un decadimento con una “lunga coda”. Questo impulso ha un tempo di salita iniziale veloce seguito da un lungo decadimento esponenziale prima di tornare alla linea di base. cspoutputUn esempio di impulso è mostrato a lato. La ragione per il decadimento esponenziale sta nella resistenza che viene posta in parallelo alla capacità di feedback. Questo soluzione è necessaria affinchè il CSP possa rispondere ad impulsi successivi.

Formatura di un impulso gaussiano

L’uscita del CSP (con la sua forma di segnale impulsivo) deve essere considerata soltanto come un passo intermedio nella produzione di un uscita misurabile. La  lunga coda rende la digitalizzazione degli impulsi impraticabile, perché gli impulsi spesso si sovrappongono l’uno con l’altro. E’ necessario quindi utilizzare a valle del CSP un amplificatore (shaper) che trasforma l’impulso esponenziale in un impulso gaussiano adatto alla digitalizzazione. Un’altra caratteristica importante dell’amplificatore di shaping è che gran parte del rumore viene filtrato in modo da migliorare considerevolmente il rapporto segnale rumore. I segnali che possono essere “sepolti” nel rumore all’uscita del CSP diventano nettamente distinguibili al di sopra della soglia del rumore dopo la fase di shaping.

Realizzazione dell’Amplificatore CSP

Lo schema del preamplificatore di carica e del circuito di bias di un detector (in questo caso un fotodiodo) è rappresentato nello schema seguente. Come amplificatore operazionale è stato scelto il componente OPA656, caratterizzato da stadio di ingresso a JFET con basso rumore, bassa corrente di bias e larga banda. Questo operazionale è particolarmente adatto per la realizzazione di stadi integratori ad alta velocità e basso rumore. Il fotodiodo viene polarizzato inversamente attraverso una resistenza di bias da 100MΩ, in modo da ridurre il rumore Johnson. Per ridurre la capacità della giunzione del fotodiodo viene utilizzata la massima tensione inversa di 30V. Questo permette di ridurre la capacità complessiva e ridurre il rumore.

Per la realizzazione del preamplificatore di carica (CSP) a basso rumore abbiamo utilizzato una “demo board” SMD per amplificatore operazionali : DEM-OPA-SO-1A.  Il PCB, mostrato nella figura a lato permette la realizzazione dei classici circuiti con OP AMP utilizzando componenti SMD.
Lo schema elettrico del PCB, con l’indicazione dei componenti è mostrato nella immagine sotto.
Naturalmente non vanno utilizzati tutti i componenti, alcuni saranno sostituiti da dei ponticelli, altri invece semplicemente non vengono montati e quindi saranno un circuito aperto.
I componenti SMD che abbiamo utilizzato sono i seguenti :

L1 = L2 = EMI-Suppression Ferrite Chip 600R 0,5Ω
C1 = C2 = Tantalum Chip Capacitor, SMD EIA Size 3528, 20V, 2,2 μF
C4 = C5 = Multilayer Ceramic Chip Capacitor, SMD 1206, 50V, 0,1 μF
R6 = parallelo Rf (100 MΩ) e Cf (0,5 pF) anello feedback CSP
R4 = condensatore Cc di accoppiamento, 0,1 μF
R7 = ponticello
R3 = ponticello

L’immagine seguente riporta lo schema generale della demo board.

Lato frontale del CSP con il fotodiodo montato direttamente sul PCB per ridurre la capacità parassita
Lato retro del CSP con i componenti di feedback montati sul PCB millefori
CSP con bias del fotodiodo

Impulsi

Nelle immagini sotto sono riportati esempi di tracciati ottenuti con un sensore SiPM : in blu i segnali del detector ed in giallo l’uscita dal CSP. Si vede come l’impulso prodotto dal detector è uno spike, con ampiezza di circa 1 V ed una durata di circa 400 ns. L’impulso prodotto dal CSP ha invece un “lento” decadimento esponenziale con una durata molto maggiore : 40 μs.

 

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