一型電流型前置放大器的研制

盛磊

摘 要：文章完成了一型基于電流并聯(lián)負(fù)反饋的前置放大器的研制，通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)與電路調(diào)試，該型電流型前置放大器輸入NaI耦合CR160輸出脈寬為570 ns，輸出信號(hào)范圍在50 Ω的負(fù)載下可以達(dá)到5 V，可以用來(lái)對(duì)NaI等快速型閃爍體和光電倍增管的探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，滿足了后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)的要求。

關(guān)鍵詞：電流型前置放大器；能譜測(cè)量；電子學(xué)系統(tǒng)

為獲得閃爍體或固態(tài)探測(cè)器的輸出信號(hào)并將之送入后續(xù)的電子學(xué)處理系統(tǒng)，需要對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行高速低噪聲放大，從而需要進(jìn)行高速電流型前置放大器的設(shè)計(jì)[1]。該前放系統(tǒng)主要由電源部分放大電路部分低噪聲線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行降噪穩(wěn)壓。為了提高整個(gè)前放系統(tǒng)的穩(wěn)定性和盡可能降低電源引入的系統(tǒng)噪聲，通過(guò)兩級(jí)的運(yùn)算放大器提供高帶寬高輸出增益。同時(shí)針對(duì)提取高壓電離室信號(hào)的需求設(shè)計(jì)了高壓部分電路與放大電路的保護(hù)電路。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 信號(hào)處理設(shè)計(jì)

本型電流前置放大器信號(hào)處理電路主要包括高壓電路與放大電路。放大電路設(shè)計(jì)原理示意如圖1所示。該部分主要由電流運(yùn)算放大器A1和緩沖驅(qū)動(dòng)放大器A2組成。探測(cè)器直接輸出的核信號(hào)通常比較微弱，容易受到外部電磁環(huán)境的影響，為了使電流信號(hào)能以低噪聲高速地被放大，選擇了高速運(yùn)算放大器AD8065。AD8065具有最高145 MHz的﹣3 dB帶寬，低至2pA的輸入偏置電流和180 V/us的壓擺率可以保證對(duì)信號(hào)快成分的快速放大[2]。但是存在連接氣體探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)極其容易震蕩的現(xiàn)象，后續(xù)根據(jù)AD8065的參數(shù)與芯片特性分析得出存在AD8065對(duì)于大信號(hào)情況下反饋回路驅(qū)動(dòng)能力不足導(dǎo)致反饋電路震蕩，從而在AD8065輸出到反饋回路中加入以及緩沖芯片BUF634從而解決驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題。為了保證前放的高帶寬和同時(shí)具有較大的信號(hào)輸出能力，本設(shè)計(jì)在AD8065后加入了放大緩沖級(jí)。第二級(jí)放大緩沖運(yùn)算放大器A2選用電流反饋型運(yùn)算放大器BUF634，它擁有最高180 MHz的﹣3 dB帶寬與AD8065組成了極其合適的參數(shù)搭配，同時(shí)其高達(dá)2 000 V/us的壓擺率提升了放大器的信號(hào)輸出能力。電壓型運(yùn)放AD8065與高速緩沖芯片BUF634構(gòu)成復(fù)合型閉合反饋電路。引入第二級(jí)緩沖放大芯片解決了第一級(jí)運(yùn)算放大器AD8065在輸出信號(hào)幅度過(guò)大時(shí)驅(qū)動(dòng)能力不足而帶來(lái)的輸出震蕩現(xiàn)象。

Rf和R1構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋信號(hào)if為輸出電流i0的一部分，即，從而有電流放大倍數(shù)：

（1）

同時(shí)針對(duì)反饋回路布線不合理容易引入噪聲的缺陷進(jìn)行了充分改進(jìn)，將芯片選型換位適合高速信號(hào)處理的SOT23封裝并按照電路預(yù)估功率進(jìn)行盡可能小的阻容封裝的選型（例如將0805貼片的電阻電容更換為0402），使用微小封裝的元器件有助于減小電路板面積和使反饋路徑最小化，減小電路板布線后的分布電容和電感，從而減小干擾噪聲耦合路徑，提高系統(tǒng)信噪比。

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

由于該前放電路中使用了高帶寬的集成運(yùn)算放大器AD8065與BUF634，兩級(jí)深負(fù)反饋放大電路對(duì)于電源紋波較為敏感，電源噪聲將直接反映到輸出信號(hào)并影響輸出信號(hào)的信噪比等品質(zhì)，從而降低后續(xù)成譜的分辨率[2]。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲大電流的電源系統(tǒng)為放大器提供穩(wěn)定低噪聲的電源。電源入口處使用磁珠初步過(guò)濾電源線上耦合自周圍環(huán)境空間中的高頻噪聲。在進(jìn)入LDO芯片之前，由于脈沖來(lái)臨時(shí)刻運(yùn)算放大器高壓擺率對(duì)于電源提出了瞬間高電流輸出的需要，采用LC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)于外部輸入的電源進(jìn)行前級(jí)濾波降低系統(tǒng)電源噪聲。LDO1與LDO2分別組成線性穩(wěn)壓電路，在LDO輸出之后的兩組CL分別組成π型LC濾波電路，它們可以過(guò)濾電源中的一部分噪聲并減小電源紋波，從而給后端的用電的放大電路提供品質(zhì)優(yōu)良的低噪聲低紋波電源。

2 性能測(cè)試

2.1 前放對(duì)探測(cè)器信號(hào)的響應(yīng)

電流脈沖前置放大器由于其帶寬很寬，頻率響應(yīng)快，相對(duì)傳統(tǒng)前放，會(huì)引入更多成分的噪聲，影響電流脈沖信號(hào)的上升沿與幅度，其測(cè)試結(jié)果顯示，在NaI閃爍體探測(cè)器與Cs137@662KeV的測(cè)試中表現(xiàn)良好，其輸出波形如圖2所示，NaI經(jīng)過(guò)電流前放輸出的脈沖信號(hào)脈寬在570.19 ns，基本可以認(rèn)為該脈沖是一個(gè)放大了的電流脈沖信號(hào)，其脈沖下面積正比于該粒子沉積在閃爍體中的能量，從而可以進(jìn)行輸出化處理，進(jìn)而得到譜線信息[3]。

2.2 前放信噪比測(cè)試

針對(duì)本前放在高壓氣體電離室下工作的需求進(jìn)行了測(cè)試，獲得如圖3所示的脈沖信號(hào)，測(cè)試在丙烷氣體電離室陽(yáng)極為2 500 V電壓下所測(cè)得波形，捕捉到的來(lái)自于鈾礦的高能伽馬射線波形[4]。得到信噪比約為45.68 dB。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用電流型運(yùn)放與緩沖芯片構(gòu)成了一型電流型前置放大器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該前放使用NaI探測(cè)器耦合CR160光電倍增管測(cè)試的前放的輸出脈寬可以小到570.19 ns，輸入電離室信號(hào)時(shí)信噪比可以達(dá)到45.68 dB。本文中所設(shè)計(jì)的高速電流型前置放大器相對(duì)于傳統(tǒng)的電荷型前置放大器有更低的脈沖堆積率與更高的帶寬，配合配套開(kāi)發(fā)的電流型數(shù)字多道系統(tǒng)可以在更高劑量率的工況下進(jìn)行精細(xì)譜線識(shí)別等探測(cè)工作。

[參考文獻(xiàn)]

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