北京谱仪(BESIII)飞行时间探测器中的前置放大器

第30卷第8期核技术Vol.30,No.82007年8月NUCLEARTECHNIQUESAugust2007——————————————国家大科学工程北京正负电子对撞机升级项目(BEPCII–UDDETF–309–HT182/2004)和安徽省高校“物理电子学”省级重点实验室资助第一作者：冼泽，男，1980年出生，2004年毕业于中国科学技术大学，现为该校硕士研究生通讯作者：刘树彬收稿日期：2006-11-23，修回日期：2007-03-06北京谱仪(BESIII)飞行时间探测器中的前置放大器冼泽刘树彬安琪（中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室合肥230026）摘要本文以BESIII的TOF探测器中的前置放大器为主要内容，详细介绍了该前放的设计理念、结构特点、性能参数及测试实验等方面的内容。论文着重讨论了该前放高增益高带宽，差分输出的设计特点以及对放大器参数的测试实验和老化实验。关键词BESIII，飞行时间，前置放大器，高速模拟放大器中图分类号TN722.7+1,O572.21+3目前正在进行的北京正负电子对撞机(BEPC)以及配套的探测器系统-北京谱仪(BES)重大升级改进工程(BEPCII/BESIII)中，飞行时间(Timeofflight，简称TOF)探测器将扮演重要角色。TOF读出电子学系统是BESIII电子学系统中难度较大的一个子系统，要求所有448通道的读出电子学系统的电子学时间分辨为25ps，系当今TOF读出电子学系统中要求最高的时间分辨指标[1]。由于强磁场和长距离传输对信号幅度造成很大的损失，在TOF读出电子学系统中，高性能的快前置放大器(Pre-Amplifier)必不能缺少，其功能是放大来自TOF快光电倍增管(PMT)的输出快脉冲信号，在不影响其快时间响应特性的前提下，尽量提高输出快脉冲信号的信噪比和信号摆率，以保证TOF读出电子学25ps的时间分辨指标。此TOF前置放大器设计利用了当前集成运放的最新技术，吸收和借鉴了国际物理实验TOF电子学最新的技术和设计理念，采用两级放大结构和全差分输出形式，合理分配增益，具有低噪声、高带宽、高增益、线性大动态范围、快上升时间和高过压保护等特点。采用差分输出的方式提高了输出信号在长距离传输中的抗干扰能力，还增大了信号的摆率，从而提高FEE中前沿定时的精度。1放大器原理放大器考虑为两级增益的快电压放大器，输入采用传统的方式，信号从PMT阳极输出，通过交流耦合输入到前置放大器，输出采用差分形式。基于TOF前置放大器的指标要求和设计的便利性，以及芯片的性价比，我们选择了美国AnalogDevice公司的两种运算放大器芯片：AD8099用于输入级放大，全差分放大器AD8131则用于输出级驱动。AD8099是一种具有极低的噪声(0.95nV(Hz)-1/2)的电压反馈型集成运算放大器。AD8099的输入级线性度高、噪声低，有利于增加器件在低增益时的全功率带宽(FPBW)。通过外部补偿，在增益为+10的情况下，仍可得到550MHz的带宽[2]。AD8131是一个增益固定为2倍的全差分高速放大器，具有2000V/μs的输出信号摆率，400MHz的全功率带宽。AD8131具有独特的内部反馈网络，在10MHz和100MHz时可分别提供－60dB和－40dB的增益和相位匹配误差，尤宜于单端到差分信号转换的场合[3]。图1是TOF前置放大器的电原理图，采用两级放大结构和全差分输出形式。D1是一个快开关二极管对管，与电阻R1一起构成脉冲保护电路。运算放大器AD8099是输入级放大器，反馈网络由C9,R5和R4构成，通过专用的反馈管脚FB连接，R6和C10构成AD8099的外部补偿网络，通过调节它们的参数值，可使电路的带宽、增益得到优化。电阻R7可减小AD8099输出的Q值，消除Q值过大带来的电路振荡。全差分运算放大器AD8131构成输出驱动电路，其正向输入端接收前级的输出信号，2倍放大后，以差分形式输出，VOCM管脚接地将输出信号的偏置固定为零电平。电路中各芯片的电源管脚都并联有旁路电容，可为放大器的高速电流提供低阻通道。输出端的电第8期冼泽等：北京谱仪(BESIII)飞行时间探测器中的前置放大器711图4前放输入输出特性Fig.4Atypicalamplifiergaincurveofthepreamplifier图5输出与理论值的线性误差分布Fig.5LinearerroroftheoutputmeasurementstothedatacalculatedbyEqu.(1)图5为其输出信号实测幅度与理论值的线性误差随输出信号幅度的变化趋势。可以看出，在线性动态范围内，线性误差的最大值不超过10mV，据此可用公式(2)计算出该前放的积分非线性。EMaxOMaxINL100%VV=×(2)式中，VEMax是最大线性误差，VOMax是输出信号线性区间的最大值。由此，INL=0.5%.2.3前放上升时间像TOF这样的时间测量系统，对前放的时间响应特性有很高的要求，前放本身的上升时间越小，对输入信号上升时间的影响就越小。由于设计时选用了具有高增益带宽乘积的运放，TOF前放是一个高速的前置放大器，具有非常快的时间响应特性。表1给出了几个不同的前放在不同输入脉冲幅度下的上升时间(测试脉冲上升时间为5ns)，可以看到，输入信号较小时，前放的上升时间在1.7ns左右，其它情况下，前放的上升时间都在1ns左右。对于实际使用中光电倍增管输出4ns、5ns前沿的脉冲来说，前放1ns左右的上升时间几乎不会对输入脉冲的前沿产生大的影响[4]。表1前放#068,#091,#225,#253在不同输入脉冲幅度下的上升时间Table1Risetime(inns)ofpreamplifier#068,#091,#225and#253atdifferentpulseamplitude输入脉冲幅度Inputpulseamplitude/mV#068#091#225#253551.751.711.661.511221.141.661.271.231881.371.221.221.642570.830.830.630.703561.220.950.950.842.4老化试验为了确保最终在工程上使用的前放都具有稳定的性能，筛除前期生产时有缺陷者，就须对前放进行老化试验。将处于工作状态下的前放在50℃的环境温度下工作168h，再进行性能测试。410块前放均通过老化试验，老化前后的线性指标与时间性能的测试结果在系统测量误差范围内一致。前放老化前后增益的相对变化率可由公式(3)计算得到,00100%GGGG−Δ=×(3)式中，△G表示增益的相对变化率，G表示老化后的增益，G0表示老化前测试到的增益。前放#068、#091、#225和#253老化前后增益的相对变化率分别为0.3%、0.5%、0.02%和0.5%。2.5宇宙线测试和束流试验用TOF前放进行了闪烁体和PMT的连接测试，图6为PMT输出脉冲经前放放大后的典型波形图，图中横坐标为时间，10ns/格，纵坐标为幅度，1V/格。该脉冲的幅度是5.5V，前沿是4.38ns.2005年6月9日至17日，在北京高能研究所进行了TOF电子学系统的束流测试，4块前放构成系统的一部分经历了束流测试的考验。在主漂室(MDC)、端盖量能器室(EMC)、TOF电子学系统、MUON电子学系统等同时工作的条件下，进行24h不停机测试。测试期间，TOF电子学系统(包括前放)运行正常。随后，进行了束流条件下的电子学分辨率测试和整个TOF探测器的测试。结果表明，这些TOF电子学组设计的前置放大器、读出电子学能够满足BESIII对飞行时间测量25ps的时间分辨要求[5]。712核技术第30卷图6PMT信号经前放放大后的波形Fig.6AtypicaloscilloscopetraceofPMTpulseatpreamplifieroutput3结论TOF前放从最初方案到最终定型经历了多个版本的修改和测试，在最终定型的方案中，综合考虑了增益、上升时间、动态范围、差分信号传输、输出匹配方式以及输入脉冲保护等方面的设计指标。10倍的电压增益，可使感兴趣的小信号得到充分的放大，且前放增益较大，可在一定程度减小对PMT增益的要求，降低了PMT的工作电压，从而延长其寿命。1ns左右的上升时间，对4ns、5ns左右的输入信号而言，造成的影响几乎可以忽略。前放的输出为差分信号，这避免了在十几米的模拟信号传输过程中引入的共模噪声对电路的影响。虽在FEE的输入端使用了50Ω的并联匹配，但由于容性负载的存在，还是会造成反射，且信号幅度较大时，此类反射信号在前放输出端反射所形成的干扰信号足以引起触发器的误触发。所以，前放输出端使用部分匹配后，可在很大程度上减小此类反射的影响。TOF前放保护电路可经受脉宽为数十ns的100V脉冲信号的冲击，充分保证了前放的安全。多次与光电倍增管的连接测试，以及小系统测试、束流测试的结果都表明了TOF前放与探测器连接的可靠性，并未引入新的问题，影响TOF系统的测试精度。2005年7月，供桶部TOF使用的前放通过了BESIII专家组的鉴定验收；2006年9月，供端盖TOF使用的前放与TOFFEE一起通过了BESIII专家组的鉴定验收。该前置放大器不仅满足了BESIII飞行时间按测量的严格要求，而且还可用于其它要求高增益、快时间响应的场合。参考文献1BESIIICollaboration,TheBESIIIdetector(Draft),Beijing,20022AD8099Datasheet,AnalogDevice,Inc.,20043AD8131Datasheet,AnalogDevice,Inc.,20004刘继国,安琪.高能物理与核物理，200428(11):1170-1175LIUJiguo,ANQi.HighEnergyPhysNuclPhys,2004,28(11):1170-11755郭建华,刘树彬,周世龙,等.高能物理与核物理，2006,30(8):761－766GUOJianhua,LIUShubin,ZHOUShilong,etal.HighEnergyPhysNuclPhys,2006,30(8):761-766Thepreamplifierofthetime-of-flightdetectorinBESIIIXIANZeLIUShubinANQi(FastElectronicsLabofModernPhysicsDepartmentofUniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)AbstractThisarticledescribesthepreamplifierofthetime-of-flightdetectorinBESIII,includingthedesignprinciple,structurefeature,performanceparameterandburn-intestofthepreamplifier.Thepreamplifiertakesanimportantroleinthe25pstimeresolutionoftheTOFelectronicssystem;moreoverthepreamplifieraccomplisheshighbandwidth,highgainandlargedynamicrange.Inordertoeliminatetheinfantmortalityandfreakfailures,whichcorrespondtofailuresintroducedbyPCBassemblyprocessandprematurecomponentfailureofmanufacturedpartsrespectively,eachpreamplifiercamethroughtheburn-intestwhichisintroducedinthispape