羊八井大型水契倫科夫探測(cè)器中雙增益大動(dòng)態(tài)范圍前放的研制

1、羊八井大型水契倫科夫探測(cè)器中雙增益大動(dòng)態(tài)羊八井大型水契倫科夫探測(cè)器中雙增益大動(dòng)態(tài)范圍前放的研制范圍前放的研制郝新軍中國(guó)科學(xué)院核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系主要內(nèi)容n實(shí)驗(yàn)背景n前放設(shè)計(jì)方案n前放測(cè)試主要內(nèi)容n實(shí)驗(yàn)背景n前放設(shè)計(jì)方案n前放測(cè)試LHAASO實(shí)驗(yàn)示意圖n4個(gè)150*150米水池，每個(gè)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(jì)需求設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)間測(cè)量LSB1ns時(shí)間測(cè)量RMS0.5ns時(shí)間測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍2us兩次擊中最小時(shí)間間隔25ns電荷測(cè)量精度（尋峰或數(shù)字積分誤差）在SPE時(shí)10%，在4000PE時(shí)5%電荷測(cè)量動(dòng)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(shí)驗(yàn)背景n前放設(shè)計(jì)方案n前放測(cè)試前放設(shè)計(jì)主要考慮nLHAASO WCDA電子學(xué)設(shè)計(jì)難點(diǎn)qPMT輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大（0.5mv2500mv)q需要遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)(100米）n針對(duì)LHAASO WCDA的信號(hào)特點(diǎn)在前端增加前置放大器q雙增益，保證電荷測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，降低后端ADC的指標(biāo)需求q低噪聲，保證小信號(hào)測(cè)量q快放大結(jié)構(gòu)，保證后端對(duì)信號(hào)的時(shí)間測(cè)量n 前放基本設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)對(duì)前放及后端電路造成損壞。主放大級(jí)：信號(hào)的放大主要在此級(jí)進(jìn)行，通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放級(jí)聯(lián)，合理分配運(yùn)放增益，使得高低增益帶寬接近。輸出緩沖：將單端信號(hào)轉(zhuǎn)為差分信號(hào)，后端串接小電阻防止震蕩 前放實(shí)物低增益通道高增益通道前放各級(jí)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(guò)100米電纜連接，與最終工程設(shè)計(jì)一致。主要內(nèi)容n實(shí)驗(yàn)背景n前放設(shè)計(jì)方案n前放測(cè)試q帶寬測(cè)試q增益測(cè)試q上升時(shí)間測(cè)試q噪聲及小信號(hào)測(cè)試PMT輸出信號(hào)典型波形前放輸入PMT波形（a）和脈沖（b）

4、時(shí)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(cè)試和討論中，使用差分對(duì)中的單端輸出代表差分信號(hào)，因此輸出幅度和增益只有實(shí)際差分輸出的一半。 帶寬測(cè)試n測(cè)試儀器：信號(hào)源： ROHDE&SCHWARZ SMA100示波器：Lecroy 104Mxin測(cè)試方法：測(cè)試時(shí)信號(hào)源提供固定幅度正弦波（輸入信號(hào)幅度的確定：調(diào)節(jié)輸入信號(hào)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(cè)量前放輸出信號(hào)的幅度。通過(guò)掃頻，得到前放的幅頻響應(yīng)。掃頻范圍1240Mhz。 前放信號(hào)源示波器頻響測(cè)試儀器連接圖 帶寬測(cè)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(shí)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(cè)試n測(cè)試儀器：信號(hào)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(cè)試方法：任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生梯形波（前后沿上升時(shí)間5ns),經(jīng)衰減器衰減后送入前放進(jìn)行測(cè)試。輸入信號(hào)的大小的改變由衰減器調(diào)節(jié)。增益測(cè)試儀器連接圖 增益線性測(cè)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(shí)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(shí)為0.61%） 高增益通道0.53%（輸入PMT波形時(shí)為0.6%）上升時(shí)間測(cè)試低增益通道上升時(shí)間高增益通道上升時(shí)間 輸出信號(hào)上升時(shí)間 前放的本征上升時(shí)間 上升時(shí)間測(cè)試的方法與增益線性測(cè)試相同，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)使得其脈沖前沿上升時(shí)間為4ns,記錄輸出信號(hào)上升時(shí)間，并且計(jì)算出前放的本征上升時(shí)間。2/122)(IOrTTT 噪聲及小信號(hào)測(cè)試前放輸入對(duì)地短接時(shí)在示波器上觀測(cè)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(guò)計(jì)算，低增益