Elettronica di Acquisizione per SiPM

Abbiamo già descritto in alcuni post precedenti esempi di progetti con SiPM (Preamplificatore per SiPM, Gamma Detector con SiPM, Amplificatore BroadBand per Fotomoltiplicatori e SiPM). In questo post vogliamo descrivere un esempio di elettronica front-end basata su di un amplificatore di tensione e su di un circuito peak&hold pensato per leggere l’ampiezza dell’impulso e convertirla successivamente in digitale con un ADC.

Lo schema dell’amplificatore è presentato nella immagine di “copertina” mostrata sopra. Il SiPM è polarizzato inversamente attraverso R4 da 10 K, la tensione viene stabilizzata grazie a C5 da 100 nF. Il segnale viene prelevato sulla resistenza di carico R5 da 1 K ed inviato all’amplificatore attraverso R1 che ha lo scopo di limitare l’assorbimento di corrente a riposo.
Come operazionale abbiamo scelto il componente OPA354 (SMD) : si tratta di un operazionale CMOS veloce a basso rumore rail-to-rail con una banda di 250 MHz, è abbastanza facile da trovare, economico e facile da montare su di un adattatore SMD-DIP. L’operazionale è stato utilizzato in configurazione non-invertente con un guadagno pari a 10.

A valle dell’amplificatore il segnale viene inviato al circuito Peak Detector & Hold, mostrato nello schema sotto.
Si tratta di un classico Peak&Hold, realizzato sempre con il componente OPA354, sia per la funzione di follower che per quella di buffer sull’uscita. D1 e D2 sono due diodi Schottky caratterizzati da bassa tensione di soglia e quindi adatti a questo tipo di circuito. Il condensatore di peaking C2 è stato scelto da 10 nF, un compromesso tra velocità di carica e velocità di scarica. La resistenza di feedback R3, da 1 K, ha la funzione di rendere “smooth” l’andamento del segnale di uscita.

Il condensatore di peaking viene scaricato con un circuito di reset comandato da un microcontrollore PSoC, questa parte verrà descritta in post successivo.

L’immagine sotto mostra il prototipo del circuito realizzato su PCB di prototipazione. Sulla parte sinistra c’è l’amplificatore di segnale, mentre sulla parte destra c’è il Peak&Hold.

Nel tracciato riportato sotto viene visualizzato l’impulso prodotto dal SiPM, in giallo, e in azzurro l’impulso ottenuto a valle dell’amplificatore. Si nota come la durata dell’impulso è la medesima, segno che lo stadio di amplificazione non introduce modifiche alla durata dell’impulso di origine. L’impulso originario prodotto dal SiPM sulla resistenza di carico da 1 K ha una durata di circa 1-2 μs, nel caso ci fosse l’esigenza potrebbe essere reso molto più stretto riducendo la resistenza di carico fino a 50 Ω.

Il tracciato seguente mostra in giallo l’impulso amplificato inviato al Peak&Hold ed in azzurro il segnale ottenuto dal Peak&Hold. Si nota come il valore massimo dell’impulso venga mantenuto costante anche quando l’impulso del SiPM decresce.

Per effettuare la conversione in digitale con un ADC della ampiezza dell’impulso è necessario fare in modo che la lettura da parte del convertitore avvenga quando il segnale prodotto dal Peak&Hold si mantiene costante. Dopo la lettura è necessario fare il “reset” scaricando il condensatore di peaking : questo viene ottenuto grazie ad un microcontrollore PSoC che viene sincronizzato sul fronte di salita dell’impulso. Nel tracciato sotto si vede, in giallo, l’impulso di sincronizzazione.

Nella immagine sotto si vede l’impulso amplificato in giallo ed il segnale del Peak&Hold in azzurro. Il segnale Peak&Hold ha una durata di circa 100 μs, dopo questo intervallo di tempo il condensatore viene scaricato ed il segnale ha una decrescita esponenziale annullandosi in circa 20-30 μs : a questo punto il sistema è pronto ad acquisire un nuovo impulso.

Nel tracciato riportato sotto viene visualizzato il segnale del Peak&Hold, in azzurro, e l’intervallo di campionamento, in giallo, durante il quale il segnale viene acquisito dall’ADC e convertito in digitale. Si vede come il segnale rimanga costante durante tutto l’intervallo di campionamento.

Nel tracciato riportato sotto viene invece visualizzato, in giallo, l’impulso di reset che produce la scarica del condensatore di peaking.

Conclusioni

Il prototipo descritto (amplificatore e Peak&Hold) si è dimostrato adeguato per l’acquisizione degli impulsi generati da un SiPM accoppiato ad uno scintillatore. Per completare il sistema va aggiunta la sezione per la generazione della tensione di polarizzazione del SiPM (descritta nel post Alimentazione Regolabile per SiPM). Va inoltre aggiunta la parte di acquisizione effettiva del segnale, realizzata tramite microcontrollore, ad esempio di tipo PSoC. Questo verrà descritto nel prossimo post.

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