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 设计需求 设计指标 时间测量LSB 1ns 时间测量RMS <0.5ns 时间测量动态范围 2us 两次击中最小时间间隔 25ns 电荷测量精度（寻峰或数字积分误差） 在SPE时10%，在4000PE时5% 电荷测量动态范围 0.5mV~2.5V SPE~4000PE 触发数据读出窗口
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 针对LHAASO WCDA的信号特点在前端增加前置放大器 前放基本设计要求： PMT输出信号动态范围大（0.5mv~2500mv) 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1~240Mhz。 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 低增益通道输出曲线 低增益通道增益曲线 高增益通道输出曲线 高增益通道增益曲线 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 输入信号幅度为0.5mV时前放高增益输出经100米电缆前后的波形，红色为经电缆前的波形，蓝色为经电缆后的波形 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声均方根为0.1mV，高增益通道为0.013mV。
谢谢！