UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA ELETTRONICA

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAFACOLTÀ DI INGEGNERIA ELETTRONICA Interfaccia elettronica per l’amplificazione e la selezione di segnali rilevati da fotodiodi veloci Relatore: prof.ssa Carla Vacchi Correlatore: Dott. Daniele Scarpa Elaborato di laurea di Ugo Decanis

2. Scopo del progetto • Realizzazione di un’interfaccia elettronica in grado di gestire la selezione di impulsi ottici generati da un laser funzionante in modalità mode-locking • Il progetto si inserisce all’interno di un più ampio programma di ricerca ed è stato svolto in collaborazione con il Laboratorio di Sorgenti Laser

3. Introduzione • Esisteva già un prototipo del circuito, realizzato in una fase precedente al periodo in cui ho progettato l’interfaccia • Ottimizzare il funzionamento del prototipo • Inserimento di nuove funzionalità

4. Descrizione generale del sistema CAVITÀ LASER FILTRO ACUSTO-OTTICO INTERFACCIA

5. Struttura del circuito Sezione implementata dal circuito realizzato Impulsatore Gain

6. Fasi della progettazione • 1) Simulazione dello stadio di amplificazione • 2) Realizzazione dello stadio di amplificazione • 3) Realizzazione dello stadio di selezione

7. Caratteristiche del segnale da amplificare Dominio del tempo ( segnale emulato tramite simulazione ) Dominio della frequenza

8. Simulazione dello stadio di amplificazione • Punto di partenza della progettazione: scelta del componente adatto all’amplificazione del segnale fotorilevato • Larga banda ( 1 GHz ) • Slew-rate 5500 V/µs

9. Simulazione dello stadio di amplificazione • La fase di simulazione è stata effettuata in base al comportamento del prototipo del circuito che ha mostrato la tendenza da parte dell’AD8009 ad oscillare in determinate condizioni • Studio del comportamento dell’amplificatore operazionale nel dominio del tempo e della frequenza

10. Dominio della frequenza • L’AD8009 retroazionato nella configurazione a buffer ha mostrato la presenza di poli complessi • Il prototipo nelle stesse condizioni presentava instabilità • Sensibili differenze tra il comportamento simulato e quello reale

11. Dominio del tempo Schema di amplificazione utilizzato

12. Dominio del tempo Risultato della simulazione

13. Simulazione di non-idealità del circuito • Ritardo sulla linea di retroazione • Carico capacitivo in uscita all’AD8009

14. Ritardo sulla linea di retroazione • Un ritardo nell’ ordine del nanosecondo genera una sensibile diminuzione del margine di fase:

15. Carico capacitivo in uscita all’AD8009 • Un carico capacitivo di 500 pF genera la presenza di poli complessi Soluzione consigliata dalla casa produttrice del componente

16. Realizzazione dello stadio di amplificazione • Prima fase: progettazione dello stadio di guadagno

17. Realizzazione dello stadio di amplificazione • Seconda fase: realizzazione del layout Collegamenti di retroazione Collegamento di clock Stadio di selezione

18. Realizzazione dello stadio di amplificazione • Impossibilità di osservare l’uscita dello stadio di amplificazione con la sonda dell’oscilloscopio: i 20 pF della sonda generano oscillazione. • Inserimento di una resistenza di 470 Ω in serie al cappuccio della sonda • Viene sensibilmente filtrato il segnale amplificato

19. Realizzazione dello stadio di amplificazione • L’uscita del secondo operazionale saturava. • Inserimento di un trimmer all’ingresso del circuito per la variazione dell’ampiezza del segnale in ingresso.

20. Realizzazione dello stadio di selezione • Microcontrollore PIC18F452 • Impulsatore programmabile DS1040

21. Programmazione del PIC • Utilizzo del compilatore JAL • Programmazione tramite un linguaggio molto simile al codice C • Il programma implementato, tramite un opportuno conteggio, genera un’onda quadra su un’ uscita del PIC di frequenza inferiore rispetto al segnale di clock

22. Realizzazione dello stadio di selezione • Impulsatore programmabile DS1040

23. Segnale di pilotaggio del dispositivo a. o. • Tramite un partitore viene generato il segnale richiesto dal dispositivo ottico: 1 V di ampiezza su una resistenza di ingresso di 50 Ω 10 ns 15 ns 17,5 ns 20 ns 12,5 ns 1 V

24. Conclusioni • L’ interfaccia realizzata ha mostrato una buona capacità di attuare le funzionalità ad essa richieste.

25. Conclusioni • Possibilità di selezionare un unico impulso ottico calcolando il tempo di risposta del filtro e i ritardi sul cammino compiuto dal fascio laser OUT impulsatore Impulsi di ingresso

26. Miglioramenti apportabili • Riguardano sostanzialmente lo stadio di amplificazione • Progettazione della sezione di guadagno tramite la teoria delle microonde ( adattamento delle piste e utilizzo di apposite basette ) • Utilizzo di componenti alternativi all’AD8009 quali amplificatori di trans-impedenza

27. Grazie per l’attenzione