CORSO DI SIMULAZIONE
ELETTRONICA
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
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.
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
Definire un circuito elettrico
Simboli elettrici
Generatore
indipendente
di Tensione continua
V1
1V ac
0V dc
E1
+
-
Generatore di tensione
controllato in Tensione
+
-
E
F1
Generatore
indipendente
di Tensione alternata
Generatore di corrente
controllato in Corrente
F
G1
Generatore di corrente
controllato in Tensione
+
-
G
I1
I2
H1
Generatore di tensione
controllato in Corrente
+
-
H
E2
Generatore
indipendente
di Corrente alternata
+
-
+
-
EP OLY
Generarore di tensione controllato in
tensione con legame non lineare
di tipo polinomiale
V
1A ac
0A dc
Generatore
indipendente
di Corrente continua
0
Riferimento
di massa
Marker
D1
L1
10 uH
C1
1n
R1
1k
R2
1k
Induttore
D2
1
Q1
2
Diodi
Q2
Transistor bipolari
Condensatore
M1
M1
Transistor Mosfet
Resistore
Resistore
var.
J1
J2
Transistor ad effetto
di campo
Definire un circuito elettrico
In/out file
Directory
Pannello libreria
Log. file
Edit
schema
Analisi possibili con Spice
• DC Operating Point
• AC Analysis
• Transient Analysis
• DC Sweep
• Temperature Sweep
• Fourier Analysis
• Parameter Sweep
• Monte Carlo simulations
DC Operating Point
AC Analysis
Transient Analysis
Transient Analysis
DC Sweep
Temperature sweep
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
Fotomoltiplicatori
o 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.
hv
e-
Metallo
hv = hc/λ > Energia di estrazione del metallo
Lunghezza d’onda:
o Comunemente abbiamo a che fare con luce
non colorata, “bianca”, come quella solare.
o
Questo perché la luce visibile ordinaria è una
sovrapposizione di onde di vario colore che danno
come risultato sul nostro occhio appunto il bianco.
o Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde un
colore diverso.
o
Con un opportuno rivelatore, è possibile vedere
l'insieme dei colori (noto anche come spettro) che
compongono la luce bianca.
o Quando una radiazione elettromagnetica
attraversa un minerale interagisce con gli
elettroni della sua struttura atomica
subendo delle modifiche.
o
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.
Dato che ad ogni colore corrisponde una lunghezza
d’onda, il colore risultante è quello complementare
alle lunghezze d’onda assorbite.
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.
Jitter
•
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
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.
Circuito equivalente di uscita del
Fototubo
• L’impedenza del carico
collegato al
fotomoltiplicatore, deve
essere la più bassa
possibile.
30pF
Generatore di
Corrente:
Rappresenta
l’affluenza di
elettroni
sull’anodo del
PMT
– Garantendo il ritorno a zero
del segnale in corrente
non appena cessa il flusso
di fotoelettroni secondari
sull’anodo.
τ =C*R
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)
Circuito elettrico
Bode plot
Nyquist
Transient Analysis
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.
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
