葉莉華，汪海洋，王文軒，陸錦程，崔一平*，沙 濤，杭建軍

(1.先進(jìn)光子學(xué)中心，電子科學(xué)與工程學(xué)院，東南大學(xué)，南京210096;2.電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京理工大學(xué)，南京210094;3.南京文采科技有限責(zé)任公司，南京210017)

光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。其探測能力可以接收到一個光子并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換的信號還比較微弱，很容易受到噪聲的干擾。低噪聲前置放大器的設(shè)計就是把夾雜噪聲的微弱信號進(jìn)行放大，抑制工作環(huán)境中的噪聲，提高信號和噪聲的比值，即提高信噪比，但是在提高信噪比的同時，將會使頻率特性變壞，這兩者要兼顧考慮。低噪聲前置放大器的設(shè)計從兩方面考慮:一是選擇合適的器件，二是設(shè)計合適的電路形式。從而設(shè)計出動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高，可靠性好的高性能的電路。

1 光電倍增管

1.1 光電倍增管簡介

光電倍增管PMT(Photomultipler Tubes)是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘柕奶綔y器。光電倍增管有兩種基本工作模式:單光子計數(shù)和電流感應(yīng)。系統(tǒng)在每秒百萬個光子以下為單光子模式，超過之后為電流感應(yīng)，單光子計數(shù)不適用于強光信號［1］。光電倍增管的輸出電流一般為10 nA～300 μA，其中在探測應(yīng)用中輸出的電流一般在10 nA～100 nA。光電倍增管有兩種接地模式，一種是是陰極接地，陽極加正高壓，適用于單光子計數(shù)模式。一種是陽極接地，陰極加負(fù)高壓的方法，適用于電流感應(yīng)工作模式。

1.2 PMT的選型及應(yīng)用

PMT選型時，最重要的幾個參數(shù)是光陰極的光譜響應(yīng)范圍，陰極光照靈敏度和暗電流［2］。一般來講，要選擇所需要的光譜響應(yīng)范圍即可，陰極光照靈敏度越高越好，暗電流越小越好。在應(yīng)用時，要注意的是在使用的波長范圍內(nèi)，使用量子效率高的PMT，并且在不影響工作的前提下，波長范圍越窄越好。為獲得好的信號輸出，要提高光的收集效率，在接收光時，要使光均勻的投在PMT陰極接收窗口上，可以延長PMT的使用壽命和輸出可靠的信號。在PMT上電后，要等待0.5 h之后再測量數(shù)據(jù)，因為剛上電后，PMT的暗電流大，噪聲大，輸出的信號沒有可靠性。在實際應(yīng)用中，關(guān)注了以上幾個注意事項之后，會提高PMT的信噪比，PMT可以有效可靠地輸出信號。在本項目中，PMT選用的是濱松公司的CR131，可以穩(wěn)定可靠地運行，輸出良好的信號。

2 低噪聲前置放大器的設(shè)計

2.1 運放的選型

對于低噪聲前置放大器的設(shè)計來說，運放的選型是很重要的，選到適合的運放，可以使設(shè)計事半功倍。運放本身會存在噪聲，本身的內(nèi)部噪聲是不可以消除的。在設(shè)計低噪聲前置放大器時，最優(yōu)先考慮的參數(shù)是噪聲電壓En和噪聲電流In［3］，然后考慮的是增益帶寬積(GBW)，GBW=Af×f，其中Af為信號增益，f為頻率。雖然GBW值越大越好，不過GBW值較大的運算放大器其他功能普遍偏弱.在滿足帶寬要求的前提下，高輸入阻抗、高共模抑制比、低輸入偏置、低噪聲是主要的設(shè)計選型因素.另外一個值得注意的參數(shù)是壓擺率SR(Slew Rate)，

其中f為信號的帶寬，Vp-p為信號的峰峰值。沒有足夠的壓擺率，信號會失真。

此外，在選運放時，很重要的一個參數(shù)是偏置電流IP，IP的值一般選pA級，從而能夠讓PMT輸出的電流不至被IP淹沒，從而能讓信號信號順利輸出。

2.2 多級放大電路的設(shè)計

在低噪聲多級放大電路設(shè)計中，最重要的是第一級。多級放大電路的噪聲系數(shù)如下式所示:

其中Api為信號輸入功率和輸出功率比值［4］。NF為各級運放的噪聲系數(shù)，噪聲系數(shù)愈大，電路中噪聲越大，從式(2)可以看出，第一級放大電路決定了整個放大電路性能的好壞。

2.3 放大電路的噪聲估算

對所設(shè)計的電路進(jìn)行噪聲估算是必要的，這樣可以把器件本身所存在的噪聲對電路的影響減小到最低。本項目所采用的是I/V轉(zhuǎn)換電路，圖1為運放噪聲模型［5］。

圖1 運放噪聲模型

(2)電阻Rf與放大器的噪聲電流密度之積:

(3)電阻Rf的溫度噪聲:

總輸入噪聲電壓密度為:

輸出的噪聲總電壓為:

利用此式可預(yù)估芯片及電阻所帶來的噪聲，從而為芯片選型帶來方便。

2.4 反饋電阻和補償電容的選擇

首先為了減小器件本身的熱噪聲，就要選擇噪聲小的器件。電阻的熱噪聲因不同的材質(zhì)噪聲的大小不同，其中金屬膜電阻的熱噪聲最小。同時，同樣阻值大小的電阻，由于功率越大的電阻散熱性越好，所以功率越大的噪聲也越小。反相放大器容易產(chǎn)生震蕩，震蕩的原因是輸入電容和負(fù)載電容(還包括耦合電容和旁路電容)會導(dǎo)致相位滯后，要消除震蕩，需要相位補償，就在反饋電阻上并聯(lián)超前補償電容，即在圖2中電阻上并聯(lián)一電容對電路進(jìn)行相位補償［6］。電容本身理論上不會有噪聲，但是在實際應(yīng)用中，電容等效為電容和電感以及電阻的串聯(lián)，也會引進(jìn)噪聲。同時不同介質(zhì)的電容適用的頻率范圍不同。RC電路中，通過阻抗來計算RC電路所帶來的噪聲。RC并聯(lián)電路的阻抗為

式(7)實部為電阻部分，可以看出，電容越大，噪聲越小。但是由于帶寬的原因，f=1/2πRC，R越大，噪聲越大，穩(wěn)定性越差，但是信噪比會提高，這時選用溫度系數(shù)高的電阻會較為理想。所以要綜合考慮電阻電容的取值。

圖2 低噪聲前置放大器原理圖

2.5 PCB板布局連線以及屏蔽

由于在應(yīng)用環(huán)境中，有很多噪聲來源，應(yīng)該從光路和電路兩方面對噪聲加以抑制。在電路方面，光電倍增管及其低噪聲前置放大器必須用金屬外殼來屏蔽;在光路方面，可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色光片，本項目中光路采用了濾色光片。另外，摩擦電，外界振動、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移。要盡可能嚴(yán)格的連接，避免電纜的振動。優(yōu)質(zhì)的低噪聲或地滲露電纜也可縮減泄露電流，并盡可能縮短電纜長度。在制作PCB板時，元件布局合理，分布均勻，走線盡量短，電源線遠(yuǎn)離地線、信號線，電路板上下層要有適當(dāng)大面積的敷銅，同時也要注意注意光電倍增管信號傳輸電纜的正確接地，放大器輸入信號回路的正確接地，去耦電容的合理選用，漏電流的減小或消除［7-8］。

2.6 放大電路設(shè)計原理圖

通過應(yīng)用上面的原則，所選運放的型號為ADA4891，擺率為170 V/μs，帶寬為 220 MHz，本設(shè)計所需擺率從式(1)可以計算出。為滿足設(shè)計要求，光電倍增管的接地方法是陽極接地，陰極加負(fù)高壓。用低噪聲的同軸電纜和此電路直接耦合。本電路采用了兩級放大電路，通過的帶寬為10 MHz。第1級為I/V轉(zhuǎn)換電路，運放反向端未接匹配電阻，是因為運放的偏置電流比較大，加了匹配電阻，產(chǎn)生的失調(diào)電壓比較大;第2級為同相放大。R1選值為3.3 kΩ，C選值為2 pF，第2級取放大倍數(shù)為10，選值為kΩ級。第1級和第2級采用了直接耦合，第1級和第2級的耦合也可采用阻容耦合。此外，運放應(yīng)為雙電源供電，才能處理PMT輸出的負(fù)電流信號。兩級系統(tǒng)的原理圖和頻率響應(yīng)如圖2和圖3所示。

圖3 低噪聲前置放大器的幅頻響應(yīng)

從圖中我們看到，此系統(tǒng)將能夠順利通過帶寬10 MHz的信號，并且十分穩(wěn)定。

此外，前置運放的電源要很穩(wěn)定，PMT輸出的信號本身就小，若電源的波動太大，不穩(wěn)定，信號就不能有效的提取出來。電源方案可先用電源適配器把市電轉(zhuǎn)化為弱電電路可用電壓，然后通過DCDC提高電源的效率和帶負(fù)載能力，接著通過低噪聲LDO可減小DCDC輸出電壓的紋波和噪聲，最后可通過RC濾波電路或有源濾波電路可進(jìn)一步減小紋波，以給低噪聲前置放大器提供穩(wěn)定度高的電源。

3 后續(xù)電路處理

上述運放設(shè)計把信號放大，后面對信號進(jìn)行積分，對信號進(jìn)行調(diào)理，以完成信號采樣。調(diào)理電路的原理框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)理電路原理框圖

通過比較器A1，用單路信號輸入，兩路信號輸出來控制兩路模擬SW1、SW2開關(guān)，兩路信號為反相，當(dāng)一路開的時候，另一路閉合，以此來完成電容的充放電［9］。本項目的積分周期為250 ns，完成 A/D采樣4 MHz的需求。比較器和模擬開關(guān)選型時，它們的開關(guān)速度在25 ns左右或以下，即開關(guān)速度越快越好。積分電路要盡量小的減小積分誤差，從3個器件考慮:電阻，電容，積分運放。其中積分電阻的精度為1%，溫度系數(shù)為1×10-6，以此來減小積分誤差;選用泄漏電流小的電容，如薄膜電容、聚苯乙烯電容，可以減少積分電容的漏電流產(chǎn)生的積分誤差。積分運放的失調(diào)電壓，偏置電流和失調(diào)電流都要比較小，才能有效的減小積分誤差。

PMT輸出為負(fù)電流，通過I/V轉(zhuǎn)換成正電壓，用第二級運放同相放大，再用積分器對信號進(jìn)行積分，能夠把噪聲完全消除，輸出無噪聲干凈的信號。至此，完成了信號的調(diào)理。

4 結(jié)束語

光電倍增管的低噪聲前置放大電路是后續(xù)處理電路的接口，這個關(guān)鍵部分如果設(shè)計好，將是一個良好的開端，為信號處理帶來很多方便。本電路應(yīng)用于基于激光掃描的煙葉異物分揀系統(tǒng)，也同樣適用于其他光電檢測場合的需要。

［1］彭榆偉，王永平，陶艷.CA3140在光電倍增管微弱電流處理中的應(yīng)用［EB/OL］.中國論文在線.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200805-836.［2008-05-29］.

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