CORSO DI SIMULAZIONE ELETTRONICA

1. CORSO DI SIMULAZIONEELETTRONICA Studenti: Baldolini Igor, Bernardini Mirco, Broccato Christian, Buttinelli Marco, D’Antonio Alessio, De Santis Riccardo, Fadda Cristiano, Fazi Alessio, Finikopoulos Kostas, Lupi Gianluca, Mastrodonato Eracle, Mignucci Giulio, Mattia Moreno, Poggi Marco, Popescu Doinel Narci, Russo Davide, Stefoni Dario, Sciascera Claudio, Scintu Matteo, Sorrenti Emanuele, Tomaselli Emanuele. Tutor:G. Corradi, D. Lenci, D.Tagnani

2. Stage 2005 Obbiettivi • Corso di Simulazione elettronica • Esercitazioni tramite il simulatore Pspice • Simulazione di filtri (integratori e derivatori),circuiti risonanti, diodi e circuiti di polarizzazione dei transistor. • Analisi termica di vari circuiti elettronici. • Progetto di un amplificatore a transimpedenza per segnali provenienti da un fotomoltiplicatore.

3. Definire un circuito elettrico • Si possono creare modelli tramite il modellatore di SPICE • È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL” • Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati tra di loro come se fosse un circuito elettrico fisico • Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di segnale • È obbligatorio connettere sempre una massa di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di tensione e di segnale • Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento dati dipendono dal tipo di versione di SPICE

4. Definire un circuito elettrico Simboli elettrici

5. Definire un circuito elettrico In/out file Directory Pannello libreria Log. file Edit schema

6. Analisi possibili con Spice • DC Operating Point • AC Analysis • Transient Analysis • DC Sweep • Temperature Sweep • Fourier Analysis • Parameter Sweep • Monte Carlo simulations

7. DC Operating Point

8. AC Analysis

9. Transient Analysis

10. Transient Analysis

11. DC Sweep

12. Temperature sweep

13. Fotomoltiplicatori • Dispositivi in grado di convertire un segnale luminoso in un segnale elettrico • Fotocatodo • Moltiplicatore di elettroni • Il fotocatodo converte la luce incidente in corrente di elettroni sfruttando l'effetto fotoelettrico esterno. • E’ costituito da una  sostanza fotoemittente depositata in un sottilissimo strato sulla parete interna della finestra di ingresso del fotomoltiplicatore. • L'efficienza di conversione fotoelettrica varia fortemente con la frequenza della luce incidente e con la struttura del materiale. hv = hc/λ > Energia di estrazione del materiale

14. hv e- hv = hc/λ > Energia di estrazione del metallo Metallo Fotomoltiplicatori • Effetto fotoelettrico • Spiega l’emissione di elettroni da parte di un metallo colpito da radiazione elettromagnetica. • L’energia cinetica dell’elettrone con cui vengono emessi gli elettroni varia con la frequenza della radiazione incidente sulla superficie.

15. Lunghezza d’onda: • Comunemente abbiamo a che fare con luce non colorata, “bianca”, come quella solare. • Questo perché la luce visibile ordinaria è una sovrapposizione di onde di vario colore che danno come risultato sul nostro occhio appunto il bianco. • Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde un colore diverso. • Con un opportuno rivelatore, è possibile vedere l'insieme dei colori (noto anche come spettro) che compongono la luce bianca. • Quando una radiazione elettromagnetica attraversa un minerale interagisce con gli elettroni della sua struttura atomica subendo delle modifiche. • Dato che ad ogni colore corrisponde una lunghezza d’onda, il colore risultante è quello complementare alle lunghezze d’onda assorbite.  L’occhio umano, all’interno dello spettro elettromagnetico, risponde ad una limitata quantità di lunghezze d’onda: da 750nm – zona del rosso – a 350nm – zona del violetto. 

16. Moltiplicatori di elettroni: • Amplifica la debole corrente generata dal fotocatodo, in modo da fornire una corrente accettabile sull’anodo. • Singolo fotone che incide sul catodo genera un singolo fotoelettrone primario. • Il fotoelettrone primario assume una energia cinetica proporzionale all’energia del fotone. • Tutti gli elettroni primari hanno la stessa energia, dato che i fotoni possono avere una sola energia, per una definita lunghezza d’onda.

17. La differenza di potenziale fra il catodo ed il primo dinodo consentono di convogliare tutti i fotoelettroni generati dal catodo sul primo dinodo, fronteggiando il problema del jitter. Cioè lo sfasamento delle cariche elettriche raccolte dall’anodo del fototubo. Dinodi Anodo t Jitter • Il fronte di salita è definito dall’affollamento elettronico sull’anodo. • Maggiore è la quantità di elettroni catturati dall’anodo maggiore è la rapidità del fronte. • Il fronte di discesa è definito dalla costante di tempo funzione dell’impedenza di carico e dalla capacità intrinseca del PMT.

18. 30pF Circuito equivalente di uscita del Fototubo • L’impedenza del carico collegato al fotomoltiplicatore, deve essere la più bassa possibile. • Garantendo il ritorno a zero del segnale in corrente non appena cessa il flusso di fotoelettroni secondari sull’anodo. τ =C*R Generatore di Corrente: Rappresenta l’affluenza di elettroni sull’anodo del PMT

19. Preamplificatore • Un preamplificatore e’ un dispositivo in grado di amplificare le basse correnti prodotte dal fototubo in modo da renderle analizzabili. • Parametri caratteristici: - Il rapporto segnale-rumore e’ molto alto - e’ un amplificatore di transimpedenza - banda passante (Bode plot) - stabilita’ (Nyquist) - il guadagno e’ circa 4 (Transient Analysis)

20. Circuito elettrico

21. Bode plot

22. Nyquist

23. Transient Analysis

24. CONCLUSIONI • Durante la meravigliosa permanenza allo stage, si e’ analizzato il comportamento di alcuni circuiti elettronici tramite un simulatore virtuale: “SPICE”. L’ obbiettivo principale: • nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la nostra curiosita’ per prendere coscienza della complessita’ del meraviglioso mondo della proggettazione elettronica. • Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia elettronica che ci circonda.

25. RINGRAZIAMENTI • tutta l’organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza; • i nostri tutor G.Corradi,D.Tagnani,D.Lenci; • i nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage; • Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi