第1節mdyFmcAd8481.1積分電荷放大器原理

在核物理和粒子物理實驗中，我們必須用電子學方法收集核輻射粒子通過探測器產生的電信號，然后對其進行處理和分析。由于探測器輸出信號一般都比較小，通常在探測器與放大器之間加一預放大器，也就是前置放大器。由于輸出的幅度反映了輸入電荷的大小，且與輸入電容無關，故稱之為電荷靈敏前置放大器。

基本的電荷靈敏前置放大器原理圖如下圖所示。

a. A是放大器的開環增益

b. C為耦合電容

a)探測器與放大器之間的C起到隔直作用，取值為幾千個pF量級如（4700pF）。

c. Rd是探測器偏置電阻

d. Cf是反饋電容

a)拿AD8488芯片來講，AD8488內部每個通道并聯了4個反饋電容，分別是0.45pF、0.9pF、3.5pF、7pF，通過命令配置選擇聯通相應的反饋電容，即可實現不太的增益的電荷靈敏前放。

e. Rf是反饋電阻

a)為了保證Cf上電荷的積累，一般情況下，Rf為MΩ到GΩ量級。

b) Rf主要有兩個作用，一是用于泄放Cf上的電荷，二是產生直流負反饋以穩定放大器直流工作點。

c) AD8488的通道內部的開關就相當于Rf。當該開關打開時，作用是：在Cf上電荷的積累，產生輸出電壓；當該開關關閉時，作用是：在Cf上電荷的積累進行泄放。

1.2增益控制器原理

當探測器輸出正比于入射線能量E的電荷量到電荷靈敏前置放大器時，電荷前放輸出電壓幅度

Vom=Q/Cf

式中Q為探測器產生的電荷量，Q=Ee/W。E為入射能量，e為電子電荷，為1.6e庫侖，W為平均電離能，對于硅半導體探測器，W=3.62*10MeV，而對于鍺半導體探測器，W=2.96* 10MeV。不難推出，Vom∝Q∝E。對于電荷前放來說，其總的輸入電容Cif=Ci+(1+A0)Cf。其中Ci=CD+CS+CA，CD為探測器體電容，CS為引線分布電容，CA是放大器輸入電容，由于有(1+A0)Cf遠遠大于Ci，從而使得電荷前放的增益僅與反饋電容Cf有關，得出前放的電荷靈敏度為:AQ=1/Cf，反饋電容越小增益越大。

1.3積分電荷參數計算

電荷靈敏放大器輸出電壓幅度V=Q/Cf，我們只要知道電荷量Q和反饋電容Cf，就可以知道其輸出幅度。拿信號源測試舉例，信號源輸出頻率為高阻輸出幅度0到1V頻率1KHz的方波，接1pF瓷片電容，則Q=C* U=1pF* 1V=1pC電荷量。由于電容精度不高，以實際輸出電荷量為準。電荷靈敏放大器反饋電容為已知量，加入反饋電容1pF。則V=Q/Cf=C* U/Cf =1pC/1pF=1V。依此類推。

1.4AD8488數據手冊1.4.1AD8488整體結構

上圖取自AD8488的數據手冊，是AD8488的功能架構圖。由圖中可以看到如下細節。

1)整個功能可以分成積分變換器(CHARGE CONVERSION AMPLIFIER)、差分輸出選擇器(DIFFERENTIAL OUTPUT MULTIPLEXER)、輸出緩沖器(OUTPUT BUFFER)、時序和控制組成(TIMING AND CONTROL)。控制 寄存器(CONTROL REGISTER)和MUX選擇器(MUX SELECTOR)。

2)積分變換器由積分器(INT)、低通濾波器(LPF)和增益放大器(GAIN AMPLIFIER)組成

a.積分器

?有一個電容。估計：存儲電荷的。

?有一個開關。估計：當打開時，對電荷進行積分；當關閉時，就是放電的過程。

?開關受哪些信號控制？

?通道輸入IN0~127，接到INT的負極；VREF接到正級。

? INT的作用原理：XXXXX（要查一下資料）

b.低通濾波器

?說明太快的信號會濾掉。

?多快才會濾掉？

?注意有兩個輸入，一個是VREF，另一個是積分器輸出，為何？

?輸出也有兩個

c.增益放大器

?這里會放大信號

?注意有三個輸入，分別是VERF、低通濾波器的兩個輸出。

d.每個通道一個，所以一共有128個。

3)差分輸出選擇器：用于從128個通道中，選擇1個通道進行輸出。

4)輸出緩沖器：

a.輸出為OUTHI和OUTLO

b.里面三角標志作用是？？而且還有一個反饋。

5)時序和控制由控制寄存器(CONTROL REGISTER)和MUX選擇器(MUX SELECTOR)組成

1.4.2AD8488單通道的實現結構

1) SWIRST是指IRST，用于控制第一級積分器的開關

2) GNSEL0~3，用于控制中間部分的開關，0~3是并行的關系

3) SWHOLD是指HOLD信號，用于控制通路

4) SWGRST是指GRST信號，用于控制增益放大器的部分。

1.4.3AD8488的控制時序

1.4.4通道對齊測試

1.4.5fmc8488上板測試文檔

1.4.6幅度關系測試

1.5射線源測試反饋

2.5.1輸出的信號與射線源的強度之間不接近線性關系

描述：一定范圍內，放大器輸出的電壓幅度應與放大器輸入端沉積的電荷成正比，測試過程中，不斷調整放射源的束流大小可以線性調整沉積在放大器前端的電荷量，但測試過程中，ADC輸出的總幅度在擬合直線附近振蕩較大（正常應該非常接近線性并且振蕩很小）。

特征：

可能原因：采用單端輸入時，基線可能受高壓影響，采集時可能會飄，等收到新板子并調整至合適的增益范圍之后會再次嘗試。

2.5.2電荷讀取過程中，ADC的輸出幅度沒有發生衰減：

描述：核信號為脈沖信號，放大器在電荷讀取階段，放大器的輸出應隨時間衰減（下圖為其它系統核脈沖信號示意圖，當獲取到完整的上升段和下降段，可以驗證采集到了正確的核粒子信號）：

AD8488采集到的信號：

可能原因：AD8488給單個通道分配的時間太短，幅度來不及衰減，進一步調整AD8488的時鐘之后再次測試。

2.5.3AD8488通道編號與傳感器連接通道確認（重要，會影響被測物體形狀的識別，導致無法分辨結果是否可信）：

所有通道相同強度的放射源多次照射下的測試結果：

測試結果：不同次測試時，不同通道的響應差異較大，但同一通道多次測試結果差異較小（不超過3%）。

改變部分通道信號強度的測試結果：

說明：一共進行了兩次測試，第一次各個通道接入信號強度相同，第二次擋住其中部分通道（大約擋住了1/4，由于通道對應關系懷疑有誤，具體是哪部分通道編號被擋有待確認，展示的結果以響應明顯變小的通道作為被擋的通道），但是可以明顯看見，沒有被擋的通道響應也發生了明顯偏離。

2.5.4采集過程中8488時序不正確，接入探測器的情況下：

部分掃描輪的8488時鐘不正確：

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16:f8 f8 10 00 00 00 00 01#高64位使能

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20:f8 f8 00 04 00 00 00 02#復位

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1.5.1時序錯誤定位

審核編輯：湯梓紅