Przedwzmacniacz ładunkowy do testowania prototypów detektorów krzemowych dla detektora LumiCal liniowego akceleratora TESLA

Podobne dokumenty
Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Liniowe stabilizatory napięcia

Detektor Fazowy. Marcin Polkowski 23 stycznia 2008

J14. Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

Nanoeletronika. Temat projektu: Wysokoomowa i o małej pojemności sonda o dużym paśmie przenoszenia (DC-200MHz lub 1MHz-200MHz). ang.

Tranzystory bipolarne. Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.

Pomiar podstawowych parametrów liniowych układów scalonych

Ćwiczenie nr 05 1 Oscylatory RF Podstawy teoretyczne Aβ(s) 1 Generator w układzie Colpittsa gmr Aβ(S) =1 gmrc1/c2=1 lub gmr=c2/c1 gmr C2/C1

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk ul. Radzikowskiego 152, Kraków

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

Akustyczne wzmacniacze mocy

Ćwiczenie 7 PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

Temat: Wzmacniacze operacyjne wprowadzenie

Układy akwizycji danych. Komparatory napięcia Przykłady układów

Przykładowe zadanie egzaminacyjne dla kwalifikacji E.20 w zawodzie technik elektronik

Politechnika Białostocka

Zespół Szkół Łączności w Krakowie. Badanie parametrów wzmacniacza mocy. Nr w dzienniku. Imię i nazwisko

Stabilizacja napięcia. Prostowanie i Filtracja Zasilania. Stabilizator scalony µa723

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

Filtry aktywne filtr środkowoprzepustowy

WZMACNIACZ OPERACYJNY

ZASADA DZIAŁANIA miernika V-640

WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY RC

Laboratorium z Układów Elektronicznych Analogowych

P-1a. Dyskryminator progowy z histerezą

Wzmacniacze operacyjne

PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

2. Który oscylogram przedstawia przebieg o następujących parametrach amplitudowo-czasowych: Upp=4V, f=5khz.

Liniowe układy scalone. Budowa scalonego wzmacniacza operacyjnego

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB 1 HDI 2

WIECZOROWE STUDIA NIESTACJONARNE LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

Technik elektronik 311[07] moje I Zadanie praktyczne

Zbiór zadań z elektroniki - obwody prądu stałego.

Zaprojektowanie i zbadanie dyskryminatora amplitudy impulsów i generatora impulsów prostokątnych (inaczej multiwibrator astabilny).

Elektronika. Wzmacniacz tranzystorowy

Ćwiczenie 3 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

GENERATORY KWARCOWE. Politechnika Wrocławska. Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

PODSTAWY ELEKTRONIKI I TECHNIKI CYFROWEJ

Prace na WFiIS AGH nad detektorem świetlności LumiCal dla ILC (CLIC)

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Elektroniki

Uniwersytet Pedagogiczny

Generatory kwarcowe Generator kwarcowy Colpittsa-Pierce a z tranzystorem bipolarnym

Pętla prądowa 4 20 ma

Gotronik. Przedwzmacniacz audio stereo opamp

Rys. 1. Wzmacniacz odwracający

Tranzystory bipolarne. Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora.

Rok akademicki: 2030/2031 Kod: JFM s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

Politechnika Białostocka

TRANZYSTOROWY UKŁAD RÓŻNICOWY (DN 031A)

Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

Wzmacniacz operacyjny

Zaznacz właściwą odpowiedź

Badanie wzmacniacza niskiej częstotliwości

Scalony stabilizator napięcia typu 723

Politechnika Białostocka

LABORATORIUM ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA BADANIE GENERATORÓW PRZEBIEGÓW PROSTOKĄTNYCH I GENERATORÓW VCO

Wzmacniacze napięciowe z tranzystorami komplementarnymi CMOS

ĆWICZENIE NR 1 TEMAT: Wyznaczanie parametrów i charakterystyk wzmacniacza z tranzystorem unipolarnym

Badanie wzmacniacza operacyjnego

Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 3 podstawowe układy nieliniowe

Scalony stabilizator napięcia typu 723

Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych

Metoda pomiaru błędu detektora fazoczułego z pierścieniem diodowym

ELEMENTY ELEKTRONICZNE. Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora

Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 2 wzmacniacze pomiarowe (instrumentacyjne)

Lekcja 19. Temat: Wzmacniacze pośrednich częstotliwości.

Rys Schemat parametrycznego stabilizatora napięcia

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Elektronika. Wzmacniacz operacyjny

ĆWICZENIE 14 BADANIE SCALONYCH WZMACNIACZY OPERACYJNYCH

b) Zastosować powyższe układy RC do wykonania operacji analogowych: różniczkowania, całkowania

Podstawy Elektroniki dla Informatyki. Generator relaksacyjny

A-6. Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

Politechnika Białostocka

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Rys.1. Układy przełączników tranzystorowych

Filtry aktywne filtr górnoprzepustowy

płytka montażowa z tranzystorami i rezystorami, pokazana na rysunku 1. płytka montażowa do badania przerzutnika astabilnego U CC T 2 masa

Liniowe układy scalone. Komparatory napięcia i ich zastosowanie

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych

Laboratorium elektroniki i miernictwa

ELEKTRONIKA. Generatory sygnału prostokątnego

Wzmacniacze różnicowe

Ćwiczenie nr 65. Badanie wzmacniacza mocy

Badanie układów aktywnych część II

Sztuka elektroniki. Cz. 1 / Paul Horowitz, Winfield Hill. wyd. 10. Warszawa, Spis treści

Wzmacniacze operacyjne

06 Tor pośredniej częstotliwości, demodulatory AM i FM Pytania sprawdzające Wiadomości podstawowe Budowa wzmacniaczy pośredniej częstotliwości

Ćwiczenie 5. Zastosowanie tranzystorów bipolarnych cd. Wzmacniacze MOSFET

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

a) dolno przepustowa; b) górno przepustowa; c) pasmowo przepustowa; d) pasmowo - zaporowa.

BADANIA SYMULACYJNE STABILIZATORA PRĄDU

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Technika analogowa. Problematyka ćwiczenia: Temat ćwiczenia:

γ6 Liniowy Model Pozytonowego Tomografu Emisyjnego

Komputerowe projektowanie układów ćwiczenia uzupełniające z wykorzystaniem Multisim/myDAQ. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych PŁ

Transkrypt:

INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków www.ifj.edu.pl/reports/2004.html Kraków, grudzień 2004 Raport Nr 1953/E Przedwzmacniacz ładunkowy do testowania prototypów detektorów krzemowych dla detektora LumiCal liniowego akceleratora TESLA Krzysztof Oliwa, Wojciech Wierba Abstract The LumiCal calorimeter is one of the proposed detector for measurements of the events produced at low angles in high energy e + e - collisions at TESLA linear collider. The detector will be equipped with silicon sensors interspersed between tungsten plates of absorber. In this paper we present the design of the charge sensitive preamplifier for testing the prototypes of silicon detectors. The detailed preamplifier diagram, tests of linearity and noise measurements are shown. Praca finansowana częściowo ze środków SPUB 620/E-77/SPB/DESY/P-03/DZ 377/2003-2005 przyznanych przez Komitet Badań Naukowych

Wstęp Zadaniem planowanego detektora LumiCal jest przede wszystkim precyzyjny pomiar świetlności liniowego akceleratora TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator) z bardzo wysoką dokładnością. Pomiar świetlności oparty jest na obserwacji rozpraszania elektron-pozyton (rozpraszanie Bhabha) i wymaga zainstalowania dwóch detektorów symetrycznie po oby stronach punktu zderzeń cząstek. Przewidywany detektor LumiCal będzie pozycjo-czułym kalorymetrem próbkującym, w którym pomiędzy warstwami absorbenta wolframowego zostaną umieszczone płytkowe sensory krzemowe zintegrowane z elektroniką odczytu. Detektory krzemowe, w formie mozaiki lub pasków umożliwią precyzyjny pomiar kąta φ i θ cząstek powstałych w wynik zderzeń e + e - [1]. We współpracy z Czeską Akademią Nauk w Pradze przygotowywane są prototypy płytkowych sensorów krzemowych o odpowiedniej segmentacji [2]. Prezentowany poniżej przedwzmacniacz został zaprojektowany dla potrzeb testowania prototypów detektorów krzemowych. Opis budowy przedwzmacniacza Sygnał elektryczny wytworzony w detektorze krzemowym przez naładowane cząstki elementarne kaskady elektromagnetycznej ma charakter ładunkowy. Przedwzmacniacz odczytujący sygnał ze spolaryzowanego zaporowo detektora krzemowego musi charakteryzować się dużą rezystancją wejściową, dużym wzmocnieniem i małymi szumami własnymi. Zmiennoprądowe sprzężenie przedwzmacniacza z detektorem jest realizowane za pomocą wysokonapięciowego kondensatora, którego pojemność jest dopasowana do pojemności detektora. W projekcie przewidziano wejście sygnału testowego do kalibracji toru wzmocnienia elektroniki odczytu oraz możliwość przesyłania szybkiego sygnału analogowego z wyjścia przedwzmacniacza za pomocą 50 Ω kabla koncentrycznego. Opisywany przedwzmacniacz został wykonany w oparciu o monolityczny układ scalony Tetrod opracowany i wykonany w NC PHEP (Mińsk, Białoruś) na potrzeby elektroniki odczytu kalorymetru elektromagnetycznego eksperymentu CMS. Zastosowany układ scalony U2 charakteryzuje się: łatwością dopasowania wzmocnienia przez zmianę rezystora R FB, możliwością ustalenie stałej czasowej w zakresie od kilkudziesięciu nanosekund do kilkuset mikrosekund przez dobór odpowiedniego kondensatora C FB, małym poziomem szumów wynoszącym poniżej 1000 e dla sygnałów o czasie trwania 80 ns (ENC = 860 e + 30 e/pf) oraz różnicowym wyjściem sygnału o maksymalnej amplitudzie 2 V na obciążeniu 50 Ω [3]. W opisywanym układzie przedwzmacniacza zastosowano dodatkowo szybki wzmacniacz OPA 640 zamieniający sygnał różnicowy z układu Tetrod na sygnał niesymetryczny. Dodatkowo, wzmacniacz U3 OPA 640 [4] w połączeniu z tranzystorem Q1 2N5771 wzmacnia sygnał i umożliwia przesyłanie szybkich impulsów kablem koncentrycznym o impedancji 50 Ω. Zasilanie przedwzmacniacza zostało starannie odfiltrowane a zastosowane regulowane stabilizatory napięcia pozwalają dobrać najbardziej korzystny stosunek napięć zasilających stopień wejściowy. Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy przedwzmacniacza. Przy projektowaniu schematu drukowanego szczególną uwagę położono na właściwe rozdzielenie mas układu, małą indukcyjność ścieżek sygnałowych i zasilających. Układ przedwzmacniacza został zmontowany w technologii montażu powierzchniowego SMD za wyjątkiem części zasilającej i umieszczony w ekranowanej obudowie. Na rysunku 2 przedstawiono zmontowany przedwzmacniacz w obudowie. 2

Rys. 1. Schemat ideowy przedwzmacniacza. 3

Rys. 2. Widok przedwzmacniacza w obudowie ekranującej. Wyniki pomiarów Dla wartości elementów podanych na schemacie ideowym, maksymalny sygnał wejściowy wynosi 1 pc. Na rysunku 3 przedstawiono kształt i amplitudę sygnału wyjściowego przedwzmacniacza odpowiadającą ładunkowi 1 pc sygnału wejściowego. Rys. 3. Odpowiedź przedwzmacniacza (CH 2) na impuls wejściowy o ładunku 1 pc. 4

Przeprowadzono dwa podstawowe pomiary układu przedwzmacniacza: pomiar liniowości wzmocnienia oraz pomiar ekwiwalentu szumu dla różnych pojemności detektora. Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę liniowości przedwzmacniacza. Wzmocnienie przedwzmacniacza wynosi 2,78 mv/fc. Rysunek 5 przedstawia zależność ekwiwalentu szumów przedwzmacniacza w zależności od pojemności detektora. Wartość szumów całego toru przedwzmacniacza (ENC) dla zerowej pojemności detektora wynosząca 2000 e jest zadowalająca. Jest ona niewiele ponad dwa razy większa od podanych szumów własnych układu Tetrod, ale wzmocnienie opisywanego przedwzmacniacza jest dwa razy większe niż układu przedwzmacniacza, w którym były wykonane pomiary szumów obwodu scalonego Tetrod. Charakterystyka liniowości przedwzmacniacza 3000 Amplituda sygnału wyjściowego [mv] 2500 2000 1500 1000 500 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Sygnał wejściowy [fc] Rys. 4. Charakterystyka liniowości przedwzmacniacza. Charakterystyka szumów przedwzmacniacza 8000 7000 6000 ENC [e] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 50 100 150 200 250 Pojemność detektora [pf] Rys. 5. Szumy (ENC) przedwzmacniacza w funkcji pojemności detektora. 5

Podsumowanie Wyniki pomiarów przedwzmacniacza potwierdzają osiągnięcie założonych parametrów. W związku z otrzymaniem zamówionych szybkich wzmacniaczy niskoszumnych AD 829 [5] planowane jest wykorzystanie ich zamiast wzmacniacza OPA 640. Taka zmiana powinna zmniejszyć szumy własne przedwzmacniacza oraz zwiększyć zakres amplitudy sygnału wyjściowego umożliwiając uzyskanie dodatkowego wzmocnienia (jeśli będzie potrzebne) w drugim stopniu przedwzmacniacza. Tak zmodyfikowana wersja przedwzmacniacza o oczekiwanych lepszych parametrach zostanie użyta przy testowaniu detektorów krzemowych kalorymetru LumiCal. Literatura 1. TESLA Technical Design Report, TESLA Report 2001-23, DESY, March 2001; H. Abramowicz et al., Instrumentation of the Very Forward Region of a Linear Collider Detector, to appear in IEEE transaction of Nuclear Science, Oct. 2004. 2. W. Wierba, Two possible Design Options for LumiCal referat przedstawiony na roboczym zebraniu współpracy FCAL: Instrumentation of the Forward Region of a Linear Collider, Zeuthen, Germany, 26-28 sierpień 2004. 3. Igor Emeliantchik, NC PHEP, Mińsk, Białoruś informacja prywatna. 4. Texas Instruments (Burr Brown) (2003). 5. Analog Devices (2004). 6