background image

capacitance in the feedback loop) to produce an output which is proportional 

to the charge into the preamplifier input.  A large valued resistor in parallel 

to  the  feedback  capacitor  slowly  discharges  the  capacitor,  restoring  the 

preamplifier output to its original state. Unlike voltage sensitive preamplifiers, 

charge sensitive preamplifiers must have low input impedance so that the 

preamplifier can easily sink (or supply) charge from the detector.
How  are  charge  sensitive  preamplifiers  more  suitable  for  use  with 

particle detectors than voltage sensitive preamplifiers?
Ionizing  events  within  detectors  generally  produce  an  amount  of  ionized 

charge that is proportional to the energy of the incoming particle or gamma-

ray.  For  this  reason,  the  detector  preamplifier  should  be  configured  in  a 

way  to  produce  an  output  that  is  precisely  proportional  to  this  ionized 

charge.  Voltage  sensitive  preamplifiers  were  first  used  to  read  out  solid 

state detectors when they were first developed in the '40s.  A problem was 

noted, however, in that the signal voltage at the preamplifier input was not 

only  proportional  to  the  ionized  charge,  but  also  inversely  proportional  to 

the input capacitance. Because the detector capacitance is usually a weak 

function  of  the  temperature,  temperature  drifts  were  causing  drifts  in  the 

preamplifier gain and degrading the energy resolution.  For this reason the 

charge sensitive preamplifier was developed, which has a gain equal to the 

reciprocal of the feedback capacitance, and more importantly independent 

of the input capacitance. For many decades, charge sensitive preamplifiers 

have  been  the  standard  design  for  use  in  detectors  where  the  energy 

measurement of individual ionizing events is of interest.

The  decay  time  of  the  preamplifier  output  pulse  is  quite  long.  Do  I 

have to worry that pulses will build on previous pulses and cause a 

'pile up' of events?
The point at which to be concerned about the effects of pulse 'pile up' is 

after  the  preamplifier  output  pulse  has  been  filtered  through  a  shaping 

amplifier.  The shaping amplifier (also called 'linear amplifier', 'spectroscopy 

amplifier', or 'pulse amplifier') dramatically changes the shapes of the pulses, 

generally giving them a longer risetime and a much quicker fall time, and 

restores the baseline to prevent pile up as much as possible.  Events that 

appear  to  pile  up  before  the  shaping  amplifier  often  become  very  clearly 

separated after the shaping amplifier.

What is the bandwidth of the CR-110?
The term 'bandwidth' is generally not used when discussing charge sensitive 

preamplifiers - instead one describes their rise time due to a delta current 

pulse input (which charges the feedback capacitance), and their decay time 

due  to  the  discharge  of  the  feedback  capacitance  through  the  feedback 

resistance.  In general, one seeks a fast pulse rise time, but not necessarily 

a short decay time.  In fact, if the feedback resistor value were substantially 

decreased in order to quicken the decay time, the added thermal noise due 

to this decreased resistance would be unacceptable.

How  can  we  check  to  see  whether  the  preamplifiers  are  operating 

within the specified noise level?
The method described here requires the following:
1. A test circuit board (such as the CR-150-X) with an appropriate power 

supply.
2. A low noise Gaussian shaping amplifier, having a shaping time of 1  s. 

The CR-200-1 s Shaping Amplifier used with the CR-160 evaluation board 

would be suitable.
3. A pulse height analyzer.
4. A tail pulse generator or square wave generator.
5. A silicon p-i-n photodiode (Hamamatsu S1223 or equivalent), and a bias 

supply (100 volts if using the Hamamatsu S1223).

6. A small 

241

Am isotopic source.

To measure the noise of the preamplifier, the gain of the detection system 

must first be precisely measured (in keV per channel). To do this, construct 

the circuit shown in Figure 2 (the CR-150-AC-X test board could be used 

for this).  A p-i-n photodiode should be used as the 'detector', and a bias 

power  supply  should  reverse  bias  the  detector  to  its  maximum  allowed 

value.  The 

241

Am  source  should  be  oriented  so  that  its  emissions  can 

irradiate the photodiode.  The circuitry and photodiode should be in a well 

shielded,  light  tight  box.  Route  the  preamplifier  output  to  the  Gaussian 

shaping  amplifier  (1  s),  which  should  have  its  output  routed  to  a  pulse 

height  analyzer.  Acquire  a 

241

Am  pulse  height  spectrum,  in  which  you 

should  be  able  to  clearly  detect  the  60  keV  gamma-ray  emission  (see 

Figure  6).  Note  the  channel  number  at  which  the  60  keV  photopeak  is 

observed.  The  gain  of  the  detection  system  is  the  ratio:  peak  channel 

number / 60 keV.
Next,  disconnect  the  input  lead  of  the  preamplifier  (pin  1)  from  the  test 

circuit board. This can be done a using a variety of methods, but make sure 

that  pin  1  is  left  floating  and  does  not  touch  the  circuit  board  or  other 

components. Connect the tail pulse generator (or square wave generator) 

to  the  preamplifier  via  a  small  valued  capacitor  of  no  more  than  just  a 

couple pF.  Alternatively, you can use a 'dangling wire' connected to the tail 

pulse generator and rely on the small capacitive coupling between the input 

and the wire to make this connection (be sure, though, that the wire does 

not move during the subsequent measurements).  Acquire a pulse height 

spectrum  of  the  tail  pulse  signal,  which  should  appear  as  a  Gaussian 

distrubution.  Measure  the  width  of  this  distrubution  by  measuring,  in 

channels,  the  full  width  at  half  the  maximum  value  (denoted  as  FWHM).   

The noise can then be calculated by dividing by the previously measured 

gain, to yield a figure having units keV FWHM (Si).  To convert this figure to 

the more generally applicable units of electrons RMS, divide by 0.0036 keV 

(the  ionization  efficiency  of  silicon)  and  divide  again  by  2.355 (converting 

FWHM measurements to RMS).

Figure 7 above shows the 

power dissipation of the 

CR-110 charge sensitive 

preamplifier as a function 

of power supply voltage. 

This assumes the output 

is unloaded and the input 

unconnected.  

0

100

200

300

400

0

200

400

600

800

1000

1200

Figure 6

241Am spectrum

60 keV emission

# count

s

channel #

0

100

200

300

400

6

7

8

9

10

11

12

13

supply voltage

po

we

r di

ssi

pation

 (mW

)

Figure 7

Table 4:  Ordering Information

Model No.

Description

Order No.

CRXXX

Charge sensitive preamp, SHV, 2kV/10nF, 1.4V/pC

HY100

CR 110

Charge sensitive preamp, SHV, 2kV/10nF, 150mV/pC

HY110

CR 111

Charge sensitive preamp, SHV, 2kV/10nF, 15mV/pC

HY111

CR 112

Charge sensitive preamp, SHV, 2kV/10nF, 1.5mV/pC

HY112

CR 113

Charge sensitive preamp, SHV, 4kV/4.7nF, 1.4V/pC

HY113

Table 1:  Sensitivity Versions

preamp 
model

gain (mV / pico-
Coulomb)

max. detect. 
pulse (e-)

Equiv. noise in sili-
con keV (FWHM)

CR 110

1400

10

7

1.7 keV

CR 111

150

10

8

6.0 keV

CR 112

15

10

9

65 keV

CR 113

1.5

10

10

230 keV

preamp 
model

noise (ENC) in 
e- RMS*

noise (ENC)  
slope e-/pF

rise time  
(C

=0pF)

rise time  
slope

CR 110

200 

e-

e-/pF

7ns

0.4ns/pF

CR 111

630 e-

3.7 

e-/pF

3ns

0.25ns/pF

CR 112

6,800 e-

28 

e-/pF

6ns

0.25ns/pF

CR 113

24,000 e-

27 

e-/pF

20ns

0.25ns/pF

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