Design and experimental characterization of a wideband low-noise amplifier for radiation detection signal processing chain

Broadband amplifiers are used in many different high-speed systems in scientific and industrial applications. In this thesis, a wideband low-noise and high sensitivity amplifier with adjustable gain is designed for the radiation detection signal processing and noise spectrum analysis. A printed circuit board build up with current feedback amplifier and voltage regulators has been carefully designed and produced to achieve the target performance. The project goes through all the basic steps of the design flow, starting from the design proposal analysis to the verification of the printed circuit board. Noise sources, current feedback amplifier, circuit simulation and board layout are discussed in detail. The thesis has been carried out at the Semiconductor Devices and IC (SDIC) Laboratory at the Department of Electronics, Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Como Campus. The thesis is divided as follows: Chapter 1: In this chapter, the overall design goals are specified and the noise sources are analyzed in detail. Chapter 2: The comparison between voltage feedback amplifier and current feedback amplifier is highlighted in this chapter, emphasising the advantages to choose current feedback amplifier. Chapter 3: Printed circuit board design processes are covered in this chapter, mainly including component research and selection, schematic capture and simulation, board layout. Chapter 4: Design verification and test results are reported in this chapter, followed by a summary of the outcomes and possible further improvements.

Gli amplificatori a larga banda hanno un elevato utilizzo in molti diversi sistemi di alta velocità nei laboratori e nelle industrie. In questa tesi, un amplificatore a banda larga, a minimo rumore e ad alta sensibilità con guadagno regolabile è stato progettato per l'elaborazione del segnale di rilevamento delle radiazioni e l'analisi dello spettro del rumore. È stato progettato un circuito che comprende un amplificatore con retroazione in corrente e dei regolatori di tensione per ottenere le prestazioni volute. Il progetto attraversa tutti i passaggi fondamentali del flusso progettuale, iniziando dall'analisi del circuito fino alla verifica del circuito stampato. Infine, vengono discussi in dettaglio: le sorgenti di rumore, l'amplificatore con retroazione in corrente, la simulazione del circuito e il layout della scheda. La tesi è suddivisa nei seguenti capitoli: Capitolo 1: In questo capitolo sono stati definiti gli obiettivi generali di progettazione e analizzati le sorgenti di rumore in dettaglio. Capitolo 2: In questo capiotolo evidenziamo le principali differenze tra un amplificatore di tipo 'current feedback' e 'voltage feedback', enfatizzando i vantaggi del primo rispetto al secondo. Capitolo 3: In questo capitolo viene presentato il progetto del circuito stampato dell'amplificatore realizzato. In dettaglio: la ricerca e la selezione dei componenti, lo schema circuitale, la simulazione e infine il layout della scheda. Capitolo 4: In questo capitolo presentiamo i risultati ottenuti nella caratterizzazione sperimentale dell'amplificatore, una sintesi dei risultati ottenut e possibili indicazioni su futuri miglioramenti.