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        基于光電雪崩二極管電荷靈敏前置放大器的研制

        2016-12-31 00:00:00侯鐵鋼李元東邱騰陳健陳小蘭
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年30期

        摘 要:采用交流耦合-阻容反饋式折疊型的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款基于光電雪崩二極管的電荷靈敏前置放大器,包括緩沖跟隨器、電流型程控衰減器、高速線性放大器、程控極性轉(zhuǎn)換、程控直流偏移電路、抗混疊RC電路等。經(jīng)測試,該放大器的零電容噪聲為2599e-,噪聲斜率為24e-/pF。

        關(guān)鍵詞:雪崩二極管;電荷靈敏前置放大器;信噪比;靈敏度

        光電雪崩二極管是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件,具有體積小、內(nèi)置增益大、量子效率高、光譜響應(yīng)范圍寬和功耗低等優(yōu)點(diǎn),適合應(yīng)用于伽馬能譜測量等核儀器中。在核儀器中,為減小探測器輸出端到輸入端之間分布電容的影響,須采用前置放大器對(duì)信號(hào)作初步放大。電荷靈敏放大器具有增益穩(wěn)定、噪聲低和性能良好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高分辨能譜測量系統(tǒng)中。

        文章針對(duì)光電雪崩二極管,設(shè)計(jì)了與其匹配的低噪聲折疊型電荷靈敏前置放大器,并對(duì)PCB板進(jìn)行了較細(xì)致的布局,進(jìn)一步提高了放大器的信噪比。由測試結(jié)果可知,該電荷靈敏前置放大器適合應(yīng)用于伽馬能譜測量系統(tǒng)。

        1 電路設(shè)計(jì)

        文章設(shè)計(jì)的電荷靈敏前置放大器采用電阻放電-交流耦合,其內(nèi)部放大結(jié)構(gòu)采用典型的折疊式結(jié)構(gòu)。

        1.1 JFET的選擇

        在選用電荷靈敏前置放大器的第一級(jí)JFET時(shí),不僅須要考慮JFET自身的漏電流Id、共源輸入電容Ciss、低頻跨導(dǎo)Gm和等效噪聲等參數(shù)以外,還須要考慮與前端探測器的阻容匹配問題。當(dāng)探測器自身等效電容與前放第一級(jí)JFET的Ciss相等時(shí),可獲得最佳信噪比。因此,對(duì)于小電容探測器,可選用2N4416或2SK152等型號(hào)的JFET;對(duì)于大電容探測器,可選用2N6550或2SK147等型號(hào)的JFET,也可選擇多個(gè)JFET并聯(lián)使用。

        本設(shè)計(jì)中探測器的輸出電容源于S8664-1010型光電雪崩二極管,當(dāng)偏壓設(shè)置為350V時(shí),結(jié)電容約為270pF。通過以上JFET選型要求可知,當(dāng)且僅當(dāng)JFET的輸入電容Ciss與光電雪崩二極管輸出電容相等時(shí),方能獲得最佳信噪比。由表1知,2SK147不僅低頻跨導(dǎo)最大,漏電流較小,而且Ciss最大,選用兩個(gè)2SK147并聯(lián)作為電荷靈敏前置放大器第一級(jí)JFET時(shí),電荷靈敏前置放大器的輸入電容約為300pF,與270pF最為接近。

        1.2 反饋電容的選擇

        由于光電雪崩二極管輸出信號(hào)較小,對(duì)137Cs能量為662keV的伽瑪射線,其輸出電荷量通常在fC量級(jí)。為獲得較大的信號(hào),通常選用較小的反饋電容。因此,本設(shè)計(jì)采用0.1pF的高溫反饋電容。另外,測試電容選用具有屏蔽端的三端電容,取值0.25pF,使用時(shí)需要屏蔽端接地。

        2 電路原理

        電路原理如圖1所示:探測器輸出信號(hào)經(jīng)交流耦合電阻C4隔直后,進(jìn)入JFET Q4進(jìn)行放大。電阻R9接在Q4的源極,用以設(shè)置Q4的靜態(tài)工作電流。C7是R9的旁路電容,高頻信號(hào)輸入時(shí),R9被旁路,以增大Q4的高頻放大倍數(shù),從而增大電荷靈敏前置放大器的高頻增益。Q4的漏極串聯(lián)接NPN型三極管Q2,型號(hào)為2N3565,集電極串聯(lián)接電阻R3。Q2管基極接地,因此Q4的漏極被Q2鉗位在固定的電位上,這樣能夠最大程度上減小Q4管漏柵極之間的等效電容,通過這種方式,僅僅用單級(jí)放大即可獲得高增益和寬頻帶。信號(hào)經(jīng)Q4放大后,進(jìn)入NPN管Q1緩沖反相輸出,并施加在NPN管Q3的基極,經(jīng)射極跟隨器Q3后輸出Vout。NPN管Q5為Q3提供一個(gè)恒定的電流源。電阻R7和R10設(shè)置Q5的靜態(tài)電流。高頻時(shí),電容C5旁路了R7上的電壓。

        電荷靈敏前置放大器中常設(shè)有自舉電路,用以增大電路的高頻動(dòng)態(tài)電阻,提高開環(huán)放大增益。圖1中,電容C2一端連接在放大器輸出端,另一端接Q1的集電極,構(gòu)成自舉電路。當(dāng)輸入為高頻信號(hào)時(shí),電容C2上幾乎沒有電流通過,故Q1的集電極和發(fā)射極之間的交流阻抗極大,有效地提升了Q4的漏極電阻。需要注意的是,必須設(shè)置電阻R2,以隔離Q3集電極、負(fù)載電阻與正電源電壓,這樣自舉才能發(fā)生。輸出端設(shè)置電阻R5,用以承擔(dān)部分壓降,從而減小Q3,Q5的耗散功率。R5被電容C3旁路,同時(shí)正負(fù)電源之間電壓跨度為48V,因此,當(dāng)負(fù)脈沖輸入時(shí),驅(qū)動(dòng)Q5的能力不會(huì)被R5削減。R1、C1和R13、C9兩個(gè)RC濾波電路,分別對(duì)正負(fù)24V電源進(jìn)行濾波。電容C8用以提升開環(huán)的交流增益,允許通過任何正電源上的電壓波動(dòng)。

        整個(gè)電荷靈敏前置放大器輸入輸出是反相關(guān)系。電壓增益基本上是由第一級(jí)JFET Q4提供。反饋電容C4連接在輸出端與輸入端。復(fù)位電阻R8和R11設(shè)置放大器總的偏置電壓,同時(shí)復(fù)位反饋電容C6,泄放C6上積累的電荷。C6取值0.1pF,因此該放大器的增益為10V/pC。輸出脈沖的下降時(shí)間取決于反饋網(wǎng)絡(luò)(C6,R8,R11)的時(shí)間常數(shù)τ(57μs),對(duì)于理想的電路,這些元件將獨(dú)立的決定輸出脈沖的下降時(shí)間,上述三個(gè)元件的RC時(shí)間大概為57μs。然而實(shí)際的下降時(shí)間約為50μs。

        3 PCB布局

        對(duì)于電荷靈敏前置放大器來說,好的電路設(shè)計(jì)與元件選型固然重要,但優(yōu)秀的PCB布板更能讓電荷靈敏前置放大器體現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

        考慮到光電雪崩二極管輸出信號(hào)小和易受環(huán)境干擾等問題,電荷靈敏前置放大器的PCB布板設(shè)計(jì)一般考慮采用四層板以提高抗干擾能力。中間兩層設(shè)置為plane,用于電源層和地層,以屏蔽干擾信號(hào)。電荷靈敏前置放大器JFET管的柵極是布板的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),要求該節(jié)點(diǎn)附近要盡量干凈,并將該節(jié)點(diǎn)孤立起來,盡量降低其他元件和環(huán)境的干擾。具體措施如下:

        (1)將JFET管Q4的輸入節(jié)點(diǎn)孤立起來,以減小干擾。將該節(jié)點(diǎn)附近不相關(guān)的元件全部移開,將JFET管子的三個(gè)引腳距離稍微拉大,同時(shí)將耦合電容C4、反饋電容C6、反饋電阻R8和R11、測試電容C10的兩個(gè)焊盤的間距稍微拉大,并將連接到JFET管子?xùn)艠O的引腳盡量的挨在一起,然后將從耦合電容C4、JFET管子Q4、反饋電容C6、反饋電阻R8和R11、測試電容C10下面采用Keep-Out Layer挖空,將輸入節(jié)點(diǎn)孤立起來。另外,JFET管子的輸入端下面也不用敷銅,同時(shí)對(duì)于電源層要分割為+5V和-5V兩塊,以獲得盡可能大的信噪比。

        (2)減小輸入節(jié)點(diǎn)的電容。盡量增加輸入節(jié)點(diǎn)與底線之間的間距,以減小輸入電容。因此將與輸入節(jié)點(diǎn)相關(guān)的元器件(耦合電容C4、JFET管子Q4、反饋電容C6、反饋電阻R8和R11、測試電容C10)的引腳間距稍微拉大一些,同時(shí),頂層、底層和中間層在輸入節(jié)點(diǎn)附近均不覆銅,以減小輸入電容。

        (3)盡量減小高壓地與低壓地回路之間的距離,即減小探測器地與JFET地之間的距離。另外需要注意的是,高壓地線與模擬電路低壓部分的底線只能在探測器和JFET管子上連接在一起,不能在其他地方相連接,且該連線要盡可能的短,從而降低電路噪聲。

        4 性能測試

        對(duì)電荷靈敏前置放大器的測試主要從其輸出波形、電荷靈敏度、等效噪聲電荷(零電容噪聲、噪聲斜率)等方面進(jìn)行測試。

        4.1 輸出波形

        圖2給出了測量137Cs源放出662keV的伽瑪射線,并將前放信號(hào)放大4.8倍后的實(shí)際波形圖。由圖可知,對(duì)137Cs源測量得到的脈沖幅度約600mV,亦即從電荷靈敏前置放大器出來的信號(hào)約為125mV,具有較高的信噪比。

        4.2 電荷靈敏度

        電荷靈敏前置放大器在輸入單位電荷Q時(shí)得到的輸出電壓值UO稱為電荷靈敏前置放大器的電荷靈敏度ACQ,文章設(shè)計(jì)的電荷靈敏前置放大器的電荷靈敏度可表示為:

        4.3 等效噪聲電荷

        4.3.1 計(jì)算方法

        電荷靈敏前置放大器輸入級(jí)是等效低頻跨導(dǎo)gm=4mS的兩個(gè)并聯(lián)的JFET管(2SK147),其串聯(lián)噪聲可以通過一個(gè)與gm值成反比的串聯(lián)電阻Rs來表示,該比例常數(shù)a約為2/3,因此,Rs可表示為a/gm。脈沖成形器輸出端的等效噪聲電荷與成形器的時(shí)間常數(shù)τ、絕對(duì)溫度T、串聯(lián)并聯(lián)的恒定噪聲源、APD極間電容Cd等參數(shù)有關(guān)。電流噪聲與成形時(shí)間成正比,電壓噪聲與成形時(shí)間成反比。該等效噪聲電荷ENC可表示為:

        式(2)中,K是玻爾茲曼常數(shù);q表示電子的電荷量;Rb為偏壓電阻;A為常數(shù);τ為主放大器的成形時(shí)間常數(shù)。

        如果其他參數(shù)均已固定,只考慮噪聲與電荷靈敏前置放大器輸入電容(即將上式中的Cd視為變量)之間的關(guān)系,那么電荷靈敏前置放大器的噪聲指標(biāo)通常分為兩項(xiàng):一項(xiàng)是零電容噪聲,表示電荷靈敏前置放大器不帶探測器、不外加電容時(shí)的固有噪聲;另一項(xiàng)是噪聲斜率,表示在電荷靈敏前置放大器的輸入端對(duì)地每增加1pF時(shí)噪聲增加的多少,該指標(biāo)通常用來衡量電荷靈敏前置放大器接上探測器以后,探測器的極間電容對(duì)噪聲的影響。

        4.3.2 測量方案

        文章采用示波器和寬頻帶電壓表來測量。當(dāng)電荷靈敏前置放大器正常工作時(shí),通過使用寬帶電壓表測量的方法,測得輸出電壓的均方根值Vno,則噪聲線寬(以電壓為單位)可表示為:

        將該電荷靈敏前置放大器置于金屬屏蔽盒中,所有輸入輸出經(jīng)BNC接口,以屏蔽測量環(huán)境的干擾,再將該金屬屏蔽盒置于恒溫箱內(nèi),以測量該電荷靈敏前置放大器在不同溫度下的噪聲??紤]到恒溫箱在制冷時(shí)會(huì)增加金屬盒內(nèi)的濕度,因此需要在金屬屏蔽盒內(nèi)放置一定量的干燥劑。選取測量頻帶達(dá)300kHz的TH1961型數(shù)字萬用表作為測量使用的寬頻帶電壓表,該萬用表的測量精度達(dá)0.0035%。系統(tǒng)測試的電路框圖如圖3所示,圖中C11·R11電路的微分時(shí)間常數(shù)τ=RC=15μs,因此成形網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為f0=1/(2πRC)≈10.62kHz,有fH>28f0,因此TH1961型數(shù)字萬用表能將放大成形電路輸出端的各種噪聲分量均測量到。

        測量時(shí),不斷改變電荷靈敏前置放大器輸入端對(duì)地的電容Cin,將通過寬頻電壓表測量得到的均方根電壓值通過式(5)換算為等效噪聲電荷,并繪制出等效噪聲電荷與輸入電容的關(guān)系,如圖4所示。從圖中可以看出,該電荷靈敏前置放大器在常溫23℃下的零電容噪聲為2599e-,噪聲斜率為24e-/pF,等效噪聲ENC=2599e-+24e-/pF。

        4.3.3 穩(wěn)定性

        放大器的長期穩(wěn)定性可由信號(hào)相對(duì)平均值的最大漂移表征。在真空條件下的靶室中運(yùn)行新型電荷靈敏前置放大器80h,期間峰位未發(fā)生移動(dòng),能譜未變寬,且未發(fā)生過熱現(xiàn)象。通過測量能譜可計(jì)算出時(shí)間漂移為0.110%,可見該放大器的長期穩(wěn)定性良好。

        5 結(jié)束語

        針對(duì)光電雪崩二極管,設(shè)計(jì)了自放電型折疊結(jié)構(gòu)的電荷靈敏前置放大器。從電路性能測試結(jié)果可知,該電荷靈敏前置放大器的噪聲較低,在常溫23℃下的零電容噪聲為2599e-,噪聲斜率為24e-/pF,且具有良好的穩(wěn)定性,適合應(yīng)用于伽馬能譜測量系統(tǒng)中。

        參考文獻(xiàn)

        [1]李元東,陳健,侯鐵剛,等.γ能譜儀探頭設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(27):28-29.

        [2]黃銳.基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué),2015.

        作者簡介:侯鐵剛(1990-),男,河北衡水,在讀碩士生,從事核輻射探測與核電子學(xué)研究。

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