羊八井大型水契倫科夫探測器中雙增益大動態(tài)范圍前放的研制

1、羊八井大型水契倫科夫探測器中雙增益大動態(tài)羊八井大型水契倫科夫探測器中雙增益大動態(tài)范圍前放的研制范圍前放的研制郝新軍中國科學(xué)院核探測技術(shù)與核電子學(xué)重點實驗室中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系主要內(nèi)容n實驗背景n前放設(shè)計方案n前放測試主要內(nèi)容n實驗背景n前放設(shè)計方案n前放測試LHAASO實驗示意圖n4個150*150米水池，每個水池有900路PMT，共3600路PMT 原型陣列示意圖原型陣列示意圖（9路PMT）設(shè)計需求設(shè)計指標(biāo)時間測量LSB1ns時間測量RMS0.5ns時間測量動態(tài)范圍2us兩次擊中最小時間間隔25ns電荷測量精度（尋峰或數(shù)字積分誤差）在SPE時10%，在4000PE時5%電荷測量動態(tài)范

2、圍0.5mV2.5VSPE4000PE觸發(fā)數(shù)據(jù)讀出窗口2us讀出電子學(xué)指標(biāo)需求主要內(nèi)容n實驗背景n前放設(shè)計方案n前放測試前放設(shè)計主要考慮nLHAASO WCDA電子學(xué)設(shè)計難點qPMT輸出信號動態(tài)范圍大（0.5mv2500mv)q需要遠(yuǎn)距離傳輸信號(100米）n針對LHAASO WCDA的信號特點在前端增加前置放大器q雙增益，保證電荷測量動態(tài)范圍，降低后端ADC的指標(biāo)需求q低噪聲，保證小信號測量q快放大結(jié)構(gòu)，保證后端對信號的時間測量n 前放基本設(shè)計要求：q高增益大于30，低增益為2q能夠?qū)?0MHz內(nèi)的頻率成分進(jìn)行基本無失真的放大前放原理示意圖前放主要分為四部分：輸入部分：50 Ohm電阻進(jìn)行終

3、端匹配，同時進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換過壓保護(hù)：由限流電阻和保護(hù)二極管組成，防止大電流涌入時對前放及后端電路造成損壞。主放大級：信號的放大主要在此級進(jìn)行，通過兩級運放級聯(lián)，合理分配運放增益，使得高低增益帶寬接近。輸出緩沖：將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號，后端串接小電阻防止震蕩 前放實物低增益通道高增益通道前放各級增益原型小系統(tǒng)讀出電子學(xué)系統(tǒng)框圖 原型小系統(tǒng)包括9路PMT，每路需要1塊前放，共需九塊。 前放與后端數(shù)字處理板通過100米電纜連接，與最終工程設(shè)計一致。主要內(nèi)容n實驗背景n前放設(shè)計方案n前放測試q帶寬測試q增益測試q上升時間測試q噪聲及小信號測試PMT輸出信號典型波形前放輸入PMT波形（a）和脈沖（b）

4、時差分輸出波形 差分放大器正負(fù)輸出端具有很好的一致性。下文的測試和討論中，使用差分對中的單端輸出代表差分信號，因此輸出幅度和增益只有實際差分輸出的一半。 帶寬測試n測試儀器：信號源： ROHDE&SCHWARZ SMA100示波器：Lecroy 104Mxin測試方法：測試時信號源提供固定幅度正弦波（輸入信號幅度的確定：調(diào)節(jié)輸入信號幅度，使得在低頻平坦區(qū)前放高低增益通道的輸出為1Vpp，差分輸出為2Vpp），改變正弦波的頻率，測量前放輸出信號的幅度。通過掃頻，得到前放的幅頻響應(yīng)。掃頻范圍1240Mhz。 前放信號源示波器頻響測試儀器連接圖 帶寬測試低增益通道頻響曲線高增益通道頻響曲線前

5、放高低增益通道在差分輸出為2 V（peak-to-peak）時的頻率響應(yīng)曲線，兩通道的-3 dB帶寬均大于150 MHz，在80 MHz內(nèi)的增益較為平坦。 增益線性測試n測試儀器：信號源：AFG3251任意函數(shù)發(fā)生器衰減器：ROHDE&SCHWARZ RF STEP ATTENUATOR示波器：Lecroy 104Mxin測試方法：任意信號發(fā)生器產(chǎn)生梯形波（前后沿上升時間5ns),經(jīng)衰減器衰減后送入前放進(jìn)行測試。輸入信號的大小的改變由衰減器調(diào)節(jié)。增益測試儀器連接圖 增益線性測試低增益通道增益曲線高增益通道增益曲線低增益通道輸出曲線高增益通道輸出曲線實際差分增益：低增益通道2.14 高增益通道34.12積分非線性（INL）：低增益通道0.44% （輸入PMT波形時為0.61%） 高增益通道0.53%（輸入PMT波形時為0.6%）上升時間測試低增益通道上升時間高增益通道上升時間 輸出信號上升時間 前放的本征上升時間 上升時間測試的方法與增益線性測試相同，調(diào)節(jié)輸入信號使得其脈沖前沿上升時間為4ns,記錄輸出信號上升時間，并且計算出前放的本征上升時間。2/122)(IOrTTT 噪聲及小信號測試前放輸入對地短接時在示波器上觀測到的噪聲，紅色為低增益通道噪聲，藍(lán)色為高增益通道噪聲經(jīng)過計算，低增益