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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
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主要内容 实验背景 前放设计方案 前放测试
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主要内容 实验背景 前放设计方案 前放测试
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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
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原型阵列示意图 原型阵列示意图（9路PMT）
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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
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主要内容 实验背景 前放设计方案 前放测试
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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
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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
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前放实物 低增益通道 高增益通道 前放各级增益
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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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
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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%）
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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。
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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。
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