羊八井大型水契伦科夫探测器中双增益大动态范围前放的研制.ppt

羊八井大型水契伦科夫探测器中双增益大动态范围前放的研制,郝新军 中国科学院核探测技术与核电子学重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系,主要内容,实验背景 前放设计方案 前放测试,主要内容,实验背景 前放设计方案 前放测试,LHAASO实验示意图,4个150*150米水池，每个水池有900路PMT，共3600路PMT,原型阵列示意图,原型阵列示意图（9路PMT）,读出电子学指标需求,主要内容,实验背景 前放设计方案 前放测试,前放设计主要考虑,LHAASO WCDA电子学设计难点 PMT输出信号动态范围大（0.5mv2500mv) 需要远距离传输信号(100米） 针对LHAASO WCDA的信号特点在前端增加前置放大器 双增益，保证电荷测量动态范围，降低后端ADC的指标需求 低噪声，保证小信号测量 快放大结构，保证后端对信号的时间测量 前放基本设计要求： 高增益大于30，低增益为2 能够对80MHz内的频率成分进行基本无失真的放大,前放原理示意图,前放主要分为四部分： 输入部分：50 Ohm电阻进行终端匹配，同时进行电流电压转换 过压保护：由限流电阻和保护二极管组成，防止大电流涌入时对前放及后端电路造成损坏。 主放大级：信号的放大主要在此级进行，通过两级运放级联，合理分配运放增益，使得高低增益带宽接近。 输出缓冲：将单端信号转为差分信号，后端串接小电阻防止震荡,前放实物,低增益通道,高增益通道,前放各级增益,原型小系统读出电子学系统框图,原型小系统包括9路PMT，每路需要1块前放，共需九块。 前放与后端数字处理板通过100米电缆连接，与最终工程设计一致。,主要内容,实验背景 前放设计方案 前放测试 带宽测试 增益测试 上升时间测试 噪声及小信号测试,PMT输出信号典型波形,前放输入PMT波形（a）和脉冲（b）时差分输出波形,差分放大器正负输出端具有很好的一致性。下文的测试和讨论中，使用差分对中的单端输出代表差分信号，因此输出幅度和增益只有实际差分输出的一半。,带宽测试,测试仪器： 信号源： ROHDE&SCHWARZ SMA100 示波器：Lecroy 104Mxi 测试方法： 测试时信号源提供固定幅度正弦波（输入信号幅度的确定：调节输入信号幅度，使得在低频平坦区前放高低增益通道的输出为1Vpp，差分输出为2Vpp），改变正弦波的频率，测量前放输出信号的幅度。通过扫频，得到前放的幅频响应。扫频范围1240Mhz。,频响测试仪器连接图,带宽测试,低增益通道频响曲线,高增益通道频响曲线,前放高低增益通道在差分输出为2 V（peak-to-peak）时的频率响应曲线，两通道的-3 dB带宽均大于150 MHz，在80 MHz内的增益较为平坦。,增益线性测试,测试仪器： 信号源：AFG3251任意函数发生器 衰减器：ROHDE&SCHWARZ RF STEP ATTENUATOR 示波器：Lecroy 104Mxi 测试方法： 任意信号发生器产生梯形波（前后沿上升时间5ns),经衰减器衰减后送入前放进行测试。输入信号的大小的改变由衰减器调节。,增益测试仪器连接图,增益线性测试,低增益通道增益曲线,高增益通道增益曲线,低增益通道输出曲线,高增益通道输出曲线,实际差分增益：低增益通道2.14 高增益通道34.12 积分非线性（INL）：低增益通道0.44% （输入PMT波形时为0.61%） 高增益通道0.53%（输入PMT波形时为0.6%）,上升时间测试,低增益通道上升时间,高增益通道上升时间, 输出信号上升时间 前放的本征上升时间,上升时间测试的方法与增益线性测试相同，调节输入信号使得其脉冲前沿上升时间为4ns,记录输出信号上升时间，并且计算出前放的本征上升时间。,噪声及小信号测试,前放输入对地短接时在示波器上观测到的噪声，红色为低增益通道噪声， 蓝色为高增益通道噪声,经过计算，低增益通道折算到输入端的噪