CORSO DI SIMULAZIONECORSO DI SIMULAZIONEELETTRONICAELETTRONICA

Studenti: Studenti:

Baldolini Igor, Bernardini Mirco, Baldolini Igor, Bernardini Mirco, Broccato Christian, Buttinelli Marco, Broccato Christian, Buttinelli Marco,

D’Antonio Alessio, De Santis Riccardo, D’Antonio Alessio, De Santis Riccardo, Fadda Cristiano, Fazi Alessio, Fadda Cristiano, Fazi Alessio,

Finikopoulos Kostas, Lupi Gianluca, Finikopoulos Kostas, Lupi Gianluca, Mastrodonato Eracle, Mignucci Giulio, Mastrodonato Eracle, Mignucci Giulio, Mattia Moreno, Poggi Marco, Popescu Mattia Moreno, Poggi Marco, Popescu Doinel Narci, Russo Davide, Stefoni Doinel Narci, Russo Davide, Stefoni

Dario, Sciascera Claudio, Scintu Matteo, Dario, Sciascera Claudio, Scintu Matteo, Sorrenti Emanuele, Tomaselli Sorrenti Emanuele, Tomaselli

Emanuele. Emanuele.

Tutor:Tutor: G. Corradi, D. Lenci, G. Corradi, D. Lenci, D.TagnaniD.Tagnani

Stage 2005 ObbiettiviStage 2005 Obbiettivi• Corso di Simulazione elettronicaCorso di Simulazione elettronica

• Esercitazioni tramite il simulatore Esercitazioni tramite il simulatore PspicePspice

• Simulazione di filtri (integratori e Simulazione di filtri (integratori e derivatori),circuiti risonanti, diodi e derivatori),circuiti risonanti, diodi e circuiti di polarizzazione dei circuiti di polarizzazione dei transistor.transistor.

• Analisi termica di vari circuiti Analisi termica di vari circuiti elettronici.elettronici.

• Progetto di un amplificatore a Progetto di un amplificatore a transimpedenza per segnali transimpedenza per segnali provenienti da un fotomoltiplicatore. provenienti da un fotomoltiplicatore.

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico• Si possono creare modelli tramite il modellatore di SPICESi possono creare modelli tramite il modellatore di SPICE

• È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL”opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL”

• Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati tra di loro come se fosse un circuito elettrico fisicotra di loro come se fosse un circuito elettrico fisico

• Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di segnalesegnale

• È obbligatorio connettere sempre una massa di È obbligatorio connettere sempre una massa di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di tensione e di segnaletensione e di segnale

• Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento dati dipendono dal tipo di versione di SPICEdati dipendono dal tipo di versione di SPICE

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico

Generatore di corrente

-+

+-

E1

E

di

Q1

Generatore di corrente

controllato in

+-

G1

G

Transistor bipolari

di

0

M1

R1

1k

Tensione

D21 2

Riferimento

indipendente

Induttore

J1

C1

1n

V11Vac0Vdc

Corrente alternata

Tensione

Condensatore

L1

10uH

Generatore

+-

H1

H

Transistor ad effettodi campo

D1

Resistore

di

R2

1k

Q2

J2

Marker

I1

tensione con legame non lineare

di

Generarore di tensione controllato in

massa

controllato in

Diodi

indipendente Corrente

Transistor Mosfet

V

F1

F

indipendente

Tensione alternata

-+

+-

E2

EPOLY

controllato in

Corrente continua

Generatore

Corrente

di tipo polinomiale

Tensione continua

controllato in

Resistorevar.

Generatore di tensione

I2

0Adc1Aac

di

Generatore Generatore di tensione

M1

indipendente

Generatore

Simboli elettriciSimboli elettrici

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico

Pannello libreria

Directory

In/out file

Log. file

Edit

schema

Analisi possibili con SpiceAnalisi possibili con Spice• DC Operating PointDC Operating Point

• AC AnalysisAC Analysis

• Transient AnalysisTransient Analysis

• DC SweepDC Sweep

• Temperature SweepTemperature Sweep

• Fourier AnalysisFourier Analysis

• Parameter SweepParameter Sweep

• Monte Carlo simulationsMonte Carlo simulations

DC Operating PointDC Operating Point

AC AnalysisAC Analysis

Transient AnalysisTransient Analysis

Transient AnalysisTransient Analysis

DC SweepDC Sweep

Temperature sweepTemperature sweep

FotomoltiplicatoriFotomoltiplicatori Dispositivi in grado di convertire un segnale luminoso in un Dispositivi in grado di convertire un segnale luminoso in un

segnale elettricosegnale elettrico FotocatodoFotocatodo Moltiplicatore di elettroniMoltiplicatore di elettroni

– Il fotocatodo converte la luce incidente in corrente di elettroni Il fotocatodo converte la luce incidente in corrente di elettroni sfruttando l'sfruttando l'effetto fotoelettrico esternoeffetto fotoelettrico esterno. .

– E’ costituito da una  sostanza fotoemittente depositata in un E’ costituito da una  sostanza fotoemittente depositata in un sottilissimo strato sulla parete interna della finestra di ingresso sottilissimo strato sulla parete interna della finestra di ingresso del fotomoltiplicatore.del fotomoltiplicatore.

– L'efficienza di conversione fotoelettrica varia fortemente con la L'efficienza di conversione fotoelettrica varia fortemente con la frequenza della luce incidente e con la struttura del materiale. frequenza della luce incidente e con la struttura del materiale.

hv = hc/λ > Energia di estrazione del materiale

FotomoltiplicatoriFotomoltiplicatori

oEffetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico

Spiega l’emissione di elettroni da parte di un Spiega l’emissione di elettroni da parte di un metallo colpito da radiazione elettromagnetica.metallo colpito da radiazione elettromagnetica.

L’energia cinetica dell’elettrone con cui L’energia cinetica dell’elettrone con cui vengono emessi gli elettroni varia con la vengono emessi gli elettroni varia con la frequenza della radiazione incidente sulla frequenza della radiazione incidente sulla superficie.superficie.

Metallo

hve-

hv = hc/λ > Energia di estrazione del metallo

Lunghezza d’onda:Lunghezza d’onda:o Comunemente abbiamo a che fare con Comunemente abbiamo a che fare con

luce non colorata, “bianca”, come luce non colorata, “bianca”, come quella solare. quella solare.

o Questo perché la luce visibile ordinaria è una Questo perché la luce visibile ordinaria è una sovrapposizione di onde di vario colore che sovrapposizione di onde di vario colore che danno come risultato sul nostro occhio danno come risultato sul nostro occhio appunto il bianco.appunto il bianco.

o Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde un colore diverso. un colore diverso.

o Con un opportuno rivelatore, è possibile Con un opportuno rivelatore, è possibile vedere l'insieme dei colori (noto anche come vedere l'insieme dei colori (noto anche come spettro) che compongono la luce bianca.spettro) che compongono la luce bianca.

o Quando una radiazione Quando una radiazione elettromagnetica attraversa un elettromagnetica attraversa un minerale interagisce con gli elettroni minerale interagisce con gli elettroni della sua struttura atomica subendo della sua struttura atomica subendo delle modifiche.delle modifiche.

o Dato che ad ogni colore corrisponde una Dato che ad ogni colore corrisponde una lunghezza d’onda, il colore risultante è quello lunghezza d’onda, il colore risultante è quello complementare alle lunghezze d’onda complementare alle lunghezze d’onda assorbite.  assorbite. 

L’occhio umano, all’interno dello spettro L’occhio umano, all’interno dello spettro elettromagnetico, risponde ad una elettromagnetico, risponde ad una limitata quantità di lunghezze d’onda: limitata quantità di lunghezze d’onda: da 750nm – zona del rosso – da 750nm – zona del rosso –

a 350nm – zona del violetto. a 350nm – zona del violetto. 

Moltiplicatori di elettroni:Moltiplicatori di elettroni:• Amplifica la debole corrente generata dal fotocatodo, Amplifica la debole corrente generata dal fotocatodo,

in modo da fornire una corrente accettabile sull’anodo.in modo da fornire una corrente accettabile sull’anodo.

•Singolo fotone che incide sul Singolo fotone che incide sul catodo genera un singolo catodo genera un singolo fotoelettrone primario.fotoelettrone primario.

• Il fotoelettrone primario assume Il fotoelettrone primario assume una energia cinetica una energia cinetica proporzionale all’energia del proporzionale all’energia del fotone.fotone.

• Tutti gli elettroni primari hanno Tutti gli elettroni primari hanno la stessa energia, dato che i fotoni la stessa energia, dato che i fotoni possono avere una sola energia, possono avere una sola energia, per una definita lunghezza d’ondaper una definita lunghezza d’onda..

JitterJitter• La differenza di potenziale fra il catodo ed il primo dinodo La differenza di potenziale fra il catodo ed il primo dinodo

consentono di convogliare tutti i fotoelettroni generati dal consentono di convogliare tutti i fotoelettroni generati dal catodo sul primo dinodo, fronteggiando il problema del jitter. catodo sul primo dinodo, fronteggiando il problema del jitter. – Cioè lo sfasamento delle cariche elettriche raccolte dall’anodo del Cioè lo sfasamento delle cariche elettriche raccolte dall’anodo del

fototubo.fototubo.

Anodo

Dinodi

t

Il fronte di salita è definito dall’affollamento elettronico sull’anodo.Il fronte di salita è definito dall’affollamento elettronico sull’anodo. Maggiore è la quantità di elettroni catturati dall’anodo maggiore è la Maggiore è la quantità di elettroni catturati dall’anodo maggiore è la

rapidità del fronte.rapidità del fronte.

Il fronte di discesa è definito dalla costante di tempo funzione Il fronte di discesa è definito dalla costante di tempo funzione dell’impedenza di carico e dalla capacità intrinseca del PMT.dell’impedenza di carico e dalla capacità intrinseca del PMT.

30pF

Generatore di Corrente:

Rappresenta l’affluenza di

elettroni sull’anodo del

PMT

Circuito equivalente di Circuito equivalente di uscita del Fototubouscita del Fototubo

• L’impedenza del L’impedenza del carico collegato al carico collegato al fotomoltiplicatore, fotomoltiplicatore, deve essere la più deve essere la più bassa possibile.bassa possibile.– Garantendo il ritorno a Garantendo il ritorno a

zero del segnale in zero del segnale in corrente non appena corrente non appena cessa il flusso di cessa il flusso di fotoelettroni secondari fotoelettroni secondari sull’anodo.sull’anodo.

τ =C*Rτ =C*R

PreamplificatorePreamplificatore

• Un preamplificatore e’ un dispositivo in grado di amplificare le Un preamplificatore e’ un dispositivo in grado di amplificare le basse correnti prodotte dal fototubo in modo da renderle basse correnti prodotte dal fototubo in modo da renderle analizzabili.analizzabili.

• Parametri caratteristici: - Il rapporto segnale-rumore e’ molto Parametri caratteristici: - Il rapporto segnale-rumore e’ molto altoalto

- e’ un amplificatore di transimpedenza - e’ un amplificatore di transimpedenza

- banda passante (Bode plot)- banda passante (Bode plot)

- stabilita’ (Nyquist)- stabilita’ (Nyquist)

- il guadagno e’ circa 4 (Transient Analysis)- il guadagno e’ circa 4 (Transient Analysis)

Circuito elettricoCircuito elettrico

Bode plotBode plot

NyquistNyquist

Transient AnalysisTransient Analysis

CONCLUSIONICONCLUSIONI

• Durante la meravigliosa permanenza allo stage, si e’ Durante la meravigliosa permanenza allo stage, si e’ analizzato il comportamento di alcuni circuiti elettronici analizzato il comportamento di alcuni circuiti elettronici tramite un simulatore virtuale: “SPICE”.tramite un simulatore virtuale: “SPICE”.

L’ obbiettivo principale:L’ obbiettivo principale: • nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e

vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la nostra curiosita’ per prendere coscienza della stimolare la nostra curiosita’ per prendere coscienza della complessita’ del meraviglioso mondo della proggettazione complessita’ del meraviglioso mondo della proggettazione elettronica.elettronica.

• Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia elettronica che ci circonda. tecnologia elettronica che ci circonda.

RINGRAZIAMENTIRINGRAZIAMENTI• tutta l’organizzazione del SIStutta l’organizzazione del SIS-Divulgazione-Divulgazione, per , per

l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza;l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza;

• i nostri tutor G.Corradi,D.Tagnani,D.Lenci;i nostri tutor G.Corradi,D.Tagnani,D.Lenci;

• i nostri professori per essersi impegnati nella i nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage;realizzazione dello stage;

• Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsiper la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi