Ad8488筆記:積分電荷放大器原理

第1節(jié)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(chǎn)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(guān)，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(huán)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(nèi)部每個通道并聯(lián)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(lián)通相應(yīng)的反饋電容，即可實現(xiàn)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(chǎn)生直流負反饋以穩(wěn)定放大器直流工作點。

c) AD8488的通道內(nèi)部的開關(guān)就相當于Rf。當該開關(guān)打開時，作用是：在Cf上電荷的積累，產(chǎn)生輸出電壓；當該開關(guān)關(guān)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(chǎn)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(guān)，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(shù)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(shù)據(jù)手冊1.4.1AD8488整體結(jié)構(gòu)

上圖取自AD8488的數(shù)據(jù)手冊，是AD8488的功能架構(gòu)圖。由圖中可以看到如下細節(jié)。

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)?？刂?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(guān)。估計：當打開時，對電荷進行積分；當關(guān)閉時，就是放電的過程。

?開關(guān)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(xiàn)結(jié)構(gòu)

1) SWIRST是指IRST，用于控制第一級積分器的開關(guān)

2) GNSEL0~3，用于控制中間部分的開關(guān)，0~3是并行的關(guān)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(guān)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(guān)系

描述：一定范圍內(nèi)，放大器輸出的電壓幅度應(yīng)與放大器輸入端沉積的電荷成正比，測試過程中，不斷調(diào)整放射源的束流大小可以線性調(diào)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(yīng)該非常接近線性并且振蕩很?。?。

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(diào)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(fā)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(yīng)隨時間衰減（下圖為其它系統(tǒng)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(diào)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(jié)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(jié)果：

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

改變部分通道信號強度的測試結(jié)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(yīng)關(guān)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(jié)果以響應(yīng)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(yīng)也發(fā)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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1.5.1時序錯誤定位

審核編輯：湯梓紅