低温微量热器读出电子学系统的研究与设计
发布时间：2023-05-14 02:41
低温微量热器由于其很低的检测阈值、极高的能量分辨率等独特的优势广泛应用于各种物理学实验和技术研究中,诸如暗物质探测、中微子探测等。特别是对于无中微子双β衰变的探测实验,是前沿物理学最重要的研究方向之一,其实验结果对于物理学的发展有着重要的意义。目前国际上已经有多个大科学实验基于低温微量热器找寻无中微子双β衰变的踪迹,包括CUORE、AMoRE等。低温微量热器的输出信号依赖特定的读出电子学系统进行处理和测量,读出电子学系统的性能将极大的影响微量热器系统的能量分辨率。国外针对无中微子双β衰变实验所使用的微量热器特别设计了多种读出电子学系统,经过超过三十年的优化和更新,目前已经相对成熟。而国内关于微量热器读出电子学系统的研究尚未有公开的成果。本文面向基于CdMoO4闪烁晶体的低温微量热器,根据微量热器的理论模型分析了其输出信号特点,总结了读出电子学的系统需求。根据需求,将微量热器的读出电子学系统设计为多个电路模块,包括可调的低噪声直流偏置电路,超低噪声、超低输入电流的前置放大电路,低噪声、线性相位的抗混叠滤波电路,高分辨率的模数转换电路。根据实际测试,微量热器读出电子学系统各模块均工作正常,...
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
1.1 微量热器的历史
1.2 低温微量热器的优缺点
1.3 低温微量热器在无中微子双β衰变实验中的应用
1.3.1 无中微子双β衰变
1.3.2 无中微子双β衰变研究方法
1.3.3 微量热器在无中微子双β衰变实验中的应用
1.4 选题背景
参考文献
第2章 微量热器理论及其读出电子学系统
2.1 微量热器读出电子学系统概述
2.2 理想微量热器模型
2.2.1 微量热器的静态热平衡
2.2.2 微量热器输入信号能量的影响
2.2.3 微量热器中的电热反馈
2.2.4 系统响应函数与输出信号
2.3 微量热器的反馈框图与噪声分析
2.3.1 微量热器的框图分析
2.3.2 吸收体热力学噪声
2.3.3 直流偏置部分噪声
2.3.4 信号读出部分噪声
2.3.5 直流偏置电路最优工作点的选取
2.4 微量热器的读出电子学系统需求分析
2.4.1 直流偏置电路
2.4.2 电压信号读出部分需求分析
2.4.3 前置放大电路
2.4.4 程控增益放大和基线调整电路
2.4.5 抗混叠滤波电路
2.4.6 模数转换电路
2.5 关键技术小结
参考文献
第3章 直流偏置电路
3.1 直流偏置电路的结构
3.2 负载电阻
3.3 精密电位器和分压电阻
3.4 直流电源
3.5 NTD静态阻值测量
3.6 直流偏置电压范围
3.7 直流偏置电路的优化设计
参考文献
第4章 前置放大电路
4.1 前置放大电路的输入级
4.1.1 JFET的关键参数
4.1.2 JFET的选型
4.2 前置放大电路的设计
4.3 输出电压补偿电路
4.4 前置放大电路的PSPICE仿真
4.4.1 差分信号的交流响应
4.4.2 共模信号的交流响应
4.4.3 噪声仿真
参考文献
第5章 抗混叠滤波电路
5.1 混叠与抗混叠滤波
5.2 滤波器概述
5.2.1 滤波器的特性参数
5.2.2 二阶有源低通滤波
5.2.3 品质因数与滤波器种类
5.2.4 群时延
5.3 两种常用的二阶滤波电路结构
5.3.1 Sallen-Key型滤波电路
5.3.2 多重反馈型滤波电路
5.3.3 两种低通滤波电路的比较
5.4 八阶Sallen-Key型滤波电路
5.4.1 幅频响应仿真
5.4.2 群时延仿真
5.4.3 噪声仿真
5.5 全差分多重反馈型滤波电路
5.5.1 幅频响应仿真
5.5.2 群时延仿真
5.5.3 噪声仿真
5.6 集成滤波电路
5.6.1 集成滤波芯片的选型
5.6.2 集成滤波芯片的配置与功能
5.6.3 输出缓冲滤波电路
参考文献
第6章 模数转换电路
6.1 ADC的关键参数
6.1.1 ADC的静态参数
6.1.2 ADC的动态参数
6.2 Σ—ΔADC简介
6.3 Σ-ΔADC的选型
6.4 基于ADS1262 ADC芯片的模数转换电路
6.5 基于AD7177-2 ADC芯片的模数转换电路
参考文献
第7章 读出电子学系统的实现与测试
7.1 直流偏置电路与前置放大电路的实现
7.2 数字读出电路的实现
7.2.1 基于ADS1262的数字读出电路
7.2.2 基于AD7177-2的数字读出电路
7.3 模数转换电路性能测试
7.3.1 基于ADS1262芯片模数转换电路的测试
7.3.2 基于AD7177-2芯片模数转换电路的测试
7.4 抗混叠滤波电路测试
7.4.1 集成滤波电路测试
7.4.2 Sallen-Key型滤波电路测试
7.4.3 多重反馈(MFB)型滤波电路测试
7.4.4 滤波电路的比较
7.5 前置放大电路测试
7.5.1 幅频响应
7.5.2 等效输入噪声谱密度
7.6 直流偏置电路
7.6.1 电压偏置范围测试
7.6.2 噪声测试
7.7 测试结论
参考文献
第8章 总结与展望
8.1 论文内容总结
8.2 未来研究方向的展望
参考文献
附录
致谢
本文编号：3817020
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
1.1 微量热器的历史
1.2 低温微量热器的优缺点
1.3 低温微量热器在无中微子双β衰变实验中的应用
1.3.1 无中微子双β衰变
1.3.2 无中微子双β衰变研究方法
1.3.3 微量热器在无中微子双β衰变实验中的应用
1.4 选题背景
参考文献
第2章 微量热器理论及其读出电子学系统
2.1 微量热器读出电子学系统概述
2.2 理想微量热器模型
2.2.1 微量热器的静态热平衡
2.2.2 微量热器输入信号能量的影响
2.2.3 微量热器中的电热反馈
2.2.4 系统响应函数与输出信号
2.3 微量热器的反馈框图与噪声分析
2.3.1 微量热器的框图分析
2.3.2 吸收体热力学噪声
2.3.3 直流偏置部分噪声
2.3.4 信号读出部分噪声
2.3.5 直流偏置电路最优工作点的选取
2.4 微量热器的读出电子学系统需求分析
2.4.1 直流偏置电路
2.4.2 电压信号读出部分需求分析
2.4.3 前置放大电路
2.4.4 程控增益放大和基线调整电路
2.4.5 抗混叠滤波电路
2.4.6 模数转换电路
2.5 关键技术小结
参考文献
第3章 直流偏置电路
3.1 直流偏置电路的结构
3.2 负载电阻
3.3 精密电位器和分压电阻
3.4 直流电源
3.5 NTD静态阻值测量
3.6 直流偏置电压范围
3.7 直流偏置电路的优化设计
参考文献
第4章 前置放大电路
4.1 前置放大电路的输入级
4.1.1 JFET的关键参数
4.1.2 JFET的选型
4.2 前置放大电路的设计
4.3 输出电压补偿电路
4.4 前置放大电路的PSPICE仿真
4.4.1 差分信号的交流响应
4.4.2 共模信号的交流响应
4.4.3 噪声仿真
参考文献
第5章 抗混叠滤波电路
5.1 混叠与抗混叠滤波
5.2 滤波器概述
5.2.1 滤波器的特性参数
5.2.2 二阶有源低通滤波
5.2.3 品质因数与滤波器种类
5.2.4 群时延
5.3 两种常用的二阶滤波电路结构
5.3.1 Sallen-Key型滤波电路
5.3.2 多重反馈型滤波电路
5.3.3 两种低通滤波电路的比较
5.4 八阶Sallen-Key型滤波电路
5.4.1 幅频响应仿真
5.4.2 群时延仿真
5.4.3 噪声仿真
5.5 全差分多重反馈型滤波电路
5.5.1 幅频响应仿真
5.5.2 群时延仿真
5.5.3 噪声仿真
5.6 集成滤波电路
5.6.1 集成滤波芯片的选型
5.6.2 集成滤波芯片的配置与功能
5.6.3 输出缓冲滤波电路
参考文献
第6章 模数转换电路
6.1 ADC的关键参数
6.1.1 ADC的静态参数
6.1.2 ADC的动态参数
6.2 Σ—ΔADC简介
6.3 Σ-ΔADC的选型
6.4 基于ADS1262 ADC芯片的模数转换电路
6.5 基于AD7177-2 ADC芯片的模数转换电路
参考文献
第7章 读出电子学系统的实现与测试
7.1 直流偏置电路与前置放大电路的实现
7.2 数字读出电路的实现
7.2.1 基于ADS1262的数字读出电路
7.2.2 基于AD7177-2的数字读出电路
7.3 模数转换电路性能测试
7.3.1 基于ADS1262芯片模数转换电路的测试
7.3.2 基于AD7177-2芯片模数转换电路的测试
7.4 抗混叠滤波电路测试
7.4.1 集成滤波电路测试
7.4.2 Sallen-Key型滤波电路测试
7.4.3 多重反馈(MFB)型滤波电路测试
7.4.4 滤波电路的比较
7.5 前置放大电路测试
7.5.1 幅频响应
7.5.2 等效输入噪声谱密度
7.6 直流偏置电路
7.6.1 电压偏置范围测试
7.6.2 噪声测试
7.7 测试结论
参考文献
第8章 总结与展望
8.1 论文内容总结
8.2 未来研究方向的展望
参考文献
附录
致谢
本文编号：3817020
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