基于光電雪崩二極管電荷靈敏前置放大器的研制

摘 要：采用交流耦合-阻容反饋式折疊型的結(jié)構(gòu)，設(shè)計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，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信號作初步放大。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，廣泛應(yīng)用于高分辨能譜測量系統(tǒng)中。

文章針對光電雪崩二極管，設(shè)計了與其匹配的低噪聲折疊型電荷靈敏前置放大器，并對PCB板進行了較細(xì)致的布局，進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

文章設(shè)計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JFET時，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JFET的Ciss相等時，可獲得最佳信噪比。因此，對于小電容探測器，可選用2N4416或2SK152等型號的JFET；對于大電容探測器，可選用2N6550或2SK147等型號的JFET，也可選擇多個JFET并聯(lián)使用。

本設(shè)計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，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，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2SK147并聯(lián)作為電荷靈敏前置放大器第一級JFET時，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較小，對137Cs能量為662keV的伽瑪射線，其輸出電荷量通常在fC量級。為獲得較大的信號，通常選用較小的反饋電容。因此，本設(shè)計采用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：探測器輸出信號經(jīng)交流耦合電阻C4隔直后，進入JFET Q4進行放大。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，高頻信號輸入時，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，僅僅用單級放大即可獲得高增益和寬頻帶。信號經(jīng)Q4放大后，進入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提供一個恒定的電流源。電阻R7和R10設(shè)置Q5的靜態(tài)電流。高頻時，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)輸入為高頻信號時，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，同時正負(fù)電源之間電壓跨度為48V，因此，當(dāng)負(fù)脈沖輸入時，驅(qū)動Q5的能力不會被R5削減。R1、C1和R13、C9兩個RC濾波電路，分別對正負(fù)24V電源進行濾波。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。

整個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。輸出脈沖的下降時間取決于反饋網(wǎng)絡(luò)（C6，R8，R11）的時間常數(shù)τ（57μs），對于理想的電路，這些元件將獨立的決定輸出脈沖的下降時間，上述三個元件的RC時間大概為57μs。然而實際的下降時間約為50μs。

3 PCB布局

對于電荷靈敏前置放大器來說，好的電路設(shè)計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。電荷靈敏前置放大器JFET管的柵極是布板的關(guān)鍵節(jié)點，要求該節(jié)點附近要盡量干凈，并將該節(jié)點孤立起來，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)點孤立起來，以減小干擾。將該節(jié)點附近不相關(guān)的元件全部移開，將JFET管子的三個引腳距離稍微拉大，同時將耦合電容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)點孤立起來。另外，JFET管子的輸入端下面也不用敷銅，同時對于電源層要分割為+5V和-5V兩塊，以獲得盡可能大的信噪比。

（2）減小輸入節(jié)點的電容。盡量增加輸入節(jié)點與底線之間的間距，以減小輸入電容。因此將與輸入節(jié)點相關(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，頂層、底層和中間層在輸入節(jié)點附近均不覆銅，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，并將前放信號放大4.8倍后的實際波形圖。由圖可知，對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 計算方法

電荷靈敏前置放大器輸入級是等效低頻跨導(dǎo)gm=4mS的兩個并聯(lián)的JFET管（2SK147），其串聯(lián)噪聲可以通過一個與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間常數(shù)τ、絕對溫度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)。電流噪聲與成形時間成正比，電壓噪聲與成形時間成反比。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：一項是零電容噪聲，表示電荷靈敏前置放大器不帶探測器、不外加電容時的固有噪聲；另一項是噪聲斜率，表示在電荷靈敏前置放大器的輸入端對地每增加1pF時噪聲增加的多少，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，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]到恒溫箱在制冷時會增加金屬盒內(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，不斷改變電荷靈敏前置放大器輸入端對地的電容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)定性可由信號相對平均值的最大漂移表征。在真空條件下的靶室中運行新型電荷靈敏前置放大器80h，期間峰位未發(fā)生移動，能譜未變寬，且未發(fā)生過熱現(xiàn)象。通過測量能譜可計算出時間漂移為0.110%，可見該放大器的長期穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)束語

針對光電雪崩二極管，設(shè)計了自放電型折疊結(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

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[2]黃銳.基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設(shè)計[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。