基于SDD的太陽X射線探測器脈沖成形電路設計

吳 軍 ， 王怡爽 ， 韋 飛 ， 冷 雙 ， 韓 英

（1.江西理工大學 江西 贛州 341000；2.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；3.北京石油化工大學 北京 102617）

衛星在運行過中隨時受空間環境影響，空間環境劇烈變化可能導致默寫元器件失效甚至整個衛星無法工作。空間環境變化的源頭是太陽，太陽耀斑引起的質子事件是影響空間環境的重要因素。為了盡可能減少太陽質子事件對空間飛行器的儀表和人員的影響與損害，減少損失，準確預報太陽質子事件的發生、強度、時間等因子就顯得十分必要[1]。科學研究表明，以太陽X射線某些物理特征警報太陽質子事件是一種十分有效的手段。本文建立和完善基于SDD的太陽X射線探測器智能測控系統，形成高可靠性安全性的地面測控支撐系統，對應用于航天任務的太陽X射線探測器上天前進行嚴格、精確的檢驗和考核，為星上設備的研制提供重要支持。

該X射線探測器采用德國Ketek公司生產的硅漂移傳感器（Silicon Drift Detector， SDD），SDD 是一種新型的、獨具優勢的核輻射探測器。采用雙面并行的平面工藝技術，通過在硅片兩表面制造特殊的電極，在適當的偏壓下，使硅片體處于全耗盡狀態，并形成一個平行于上下兩表面、均勻的漂移電場。電荷收集極位于探測器中央，面積非常小，因此收集極電容也非常小，這樣減小了串聯噪聲分量，降低了整個電子學噪聲，小于同樣面積和厚度的Si-PIN探測器，只需采用簡單的半導體制冷就能夠達到甚至超過需用液氮制冷的Si（Li）探測器的能量分辨率，并使最佳成型時間變快[2-3]。SDD中的電子漂移時間與位置有關，當多個光子同時入射時，硅漂移室能夠加以分辨，從而獲得特別高的計數率。總的來說，當X射線光子穿過耗盡層時，會損失能量并產生電子-空穴對，其中空穴被附近的電極吸收，而電子則被漂移電場強迫向硅片的一端漂移，到達電荷收集極，電荷收集極的點電極進行電荷收集，每個X射線光子產生的電荷信號都在收集電極形成與光子能量成正比的增量電荷[4]，電荷的變化反映在外電路中，即產生電流。

本文采用的SDD其特性如下：整機狀態下對X射線探測器的能量分辨率可達189 eV@5.9keV，探測能量范圍1.5～24.8 keV，峰本比＞15 000，計數率可達 1 000 kcps，可工作在-60～-20℃，消耗功率小，高效的集成Pilter元件，易于使用，體積小等優點。

為了將該傳感器良好的特性充分發揮，需要完備的電子學測控系統。參考文獻[5]，探測器可以看做是一個恒流源。這樣，采用電荷靈敏前置放大器對電流脈沖積分，形成電壓脈沖信號（≤10 mV），再經過脈沖成形放大電路對電壓脈沖信號進行濾波整形放大（≤10 V），以滿足后端幅度分析系統。

因此，首先盡量減少測控系統的輸入噪聲，此外，在一定的脈沖處理時間下，脈沖濾波成形電路的性能，直接影響著整個儀器的能量分辨率。欲保證傳感器的能量分辨率最優化，除了要獲得較高的信噪比之外，脈沖濾波成形電路還應滿足以下技術指標要求：

1）半導體探測器輸出幅度和成形電路輸出幅度應嚴格保持線性關系，成形輸出幅度最高10 V；

2）通過調節電路參數，減少堆積和基線的變化，提高電路的計數率響應；

3）成形后的輸出波形應符合后續電路分析測量參數要求，脈沖寬度為 1 μs，成形時間為 3～5 μs.

4）濾波成形電路應盡可能簡單，增益可調。

1 濾波成形原理

脈沖成形電路的總體設計包括電荷靈敏前置放大電路和濾波成形電路，SDD輸出的電脈沖信號，經過電荷靈敏前置放大電路，變換為以3 μs為時間常數衰減的指數脈沖信號，經過成形濾波電路，消除噪聲，整形放大，輸出滿足后端幅度分析的波形信號。

1.1 電荷靈敏前置放大電路

圖1 前置放大電路原理圖Fig.1 Preamplifier cicult schematic diagram

1.2 濾波成形電路

圖2所示的濾波成形電路由兩級二階有源帶通濾波器和一級電壓跟隨器組成。在濾波成形電路的運算放大器選擇上，本文采用的是AD829運算放大器，它有750 MHz的增益帶寬積，低噪音，適用于高速電路。C1、C4為耦合電容，濾去低頻的信號。C3和C7為補償電容（實驗分別優化為100 pF，10 pF），C2、C5為AD829的外部并聯補償電容，用以保證帶寬并具有閉環工作的穩定性。C2、R2并聯，C5、R4并聯，分別用于補償U1、U2反相輸入端的電容，另外C2、C5選用較小值，可提高電路響應速度。C8是濾波電容。U1、U2兩級有源帶通濾波器，級聯后相當于無源的（CR）2-（RC）2電路。整個電路實現對輸入10 mV以下的電壓脈沖信號的濾波成形放大，經過該電路輸出為最高10 V電壓的準高斯波形。

圖2 濾波成形電路原理圖Fig.2 Filter shaping cicult schematic diagram

因兩級濾波器結構相同，下面就第一級電路分析，計算傳遞函數。

令s=jw得

圖3 單級成形濾波電路的幅頻特性和相頻特性Fig.3 Amplitude-frequency and phase-frequency of single-stage filter shaping circuit

2 電路的仿真

Multisim 12.0是一個最新版本基于SPICE模型、NI和行業標準硬件連接器、模擬和數字協同仿真和電路分析工具。本文利用Multisim 12.0對二階有源帶通濾波器的性能參數進行仿真。

2.1 參數選擇過程

信號源設置為指數時間衰減信號，上升時間常數為100 ns，下降時間常數為3 μs，周期10 μs，脈沖幅度可調。現在脈沖幅度固定為5 mV，改變電路參數值，對不通參數值的濾波放大效果進行仿真，圖4（a）為3種不同參數下的仿真波形，當R1=300 Ω，R2=6 kΩ 時，A 為 C1=1 000 pF，C2=10 pF，中心頻率f0=1.19 MHz的波形曲線；B為C1=500 pF，C2=5 pF，中心頻率f0=2.37 MHz的波形曲線；C為C1=250 pF，C2=2.5 pF，中心頻率f0=4.75 MHz的波形曲線。由圖4（a）看出，隨著中心頻率的不斷變大，脈沖幅度減小，脈沖寬度變小，震蕩變大。原因是中心頻率增大，響應頻率范圍內的干擾信號未能有效濾除，濾波效果變差。

圖4 單級濾波放大電路在不同參數下的仿真圖Fig.4 Simulation figures of single-stage filter amplifier circuit in different parameters

保持信號源參數不變，在相同的中心頻率下，對不同的電容電阻值的濾波效果進行仿真。在中心頻率f0=1.19 MHz時，A 為 R1=300 Ω，R2=6 kΩ，C1=1 000 pF，C2=10 pF 的波形曲線；B 為 R1=600 Ω，R2=12 kΩ，C1=500 pF，C2=5 pF 的波形曲線；C 為 R1=150 Ω，R2=3 kΩ，C1=2 000 pF，C2=20 pF 的波形曲線。圖4（b）中可以看出，只要中心頻率不發生變化，該級濾波成形效果不變。同理，第二級電路的參數選擇R3=1 kΩ，R4=50 kΩ，C4=1 000 pF，C5=1 pF。

綜合上面兩組仿真的結果，較為理想的波形參數是R1=300 Ω，R2=6 kΩ，C1=1 000 pF，C2=10 pF；R3=1 kΩ，R4=50 kΩ，C4=1 000 pF，C5=1 pF。

2.2 線性關系驗證

為了驗證輸入輸出幅度呈線性關系，利用單級濾波成形放大電路觀測，使得信號源電壓線性變化，即曲線A為1.2 mV，曲線 B為 2.4 mV，曲線 C為 4.8 mV，曲線 D為 9.6 mV，如圖5（a）所示。圖 5（b）則為輸出線性變化的輸出電壓。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，不同輸入最大幅度呈線性遞增的關系，對應的不同輸出峰值也保持線性關系，圖6是應用具體的實驗數據描繪出的線性關系圖。所以，該實驗驗證了半導體探測器輸出幅度和成形電路輸出幅度應嚴格保持線性關系。

圖5 線性關系驗證圖Fig.5 Linear relationship graph validation

2.3 準高斯波形產生

圖6 線性變化結果坐標顯示Fig.6 Results of the lineal change dispaly in coordinate

由最佳濾波器理論可知：當成形后的波形為無限寬尖頂脈沖時，可以達到最佳信噪比。高斯波形是具有無限寬的脈沖，而頂部也保持一定的寬度。在實際應用中，為了提高計數率，還應減小脈沖寬度，所以采用接近高斯型波形的準高斯型（也稱半高斯）。試驗證明積分的級數越多，半高斯就越對稱，電路的噪聲越低[2]。保持信號源參數不變，即上升時間常數為 100 ns，下降時間常數為 3 μs，周期 10 μs，脈沖峰值設定為5 mV，圖7（a）是單級成形電路輸出波形，Vm≈105 mV，-Vm≈-26 mV；圖 7（b）是兩級成形電路輸出波形，Vm’≈5 V，-Vm'≈-2.6 V。

圖7 各級濾波成形電路輸出波形比較Fig.7 Comparing lerels of output wareform of filting shaping circuit

圖7的（a）和（b）比較可以看出，兩級有源濾波器比一級有源濾波器的輸出波形達峰時間增加，更接近高斯波形了，雖然相應的峰值持續時間也增加了，但是在允許范圍之內。圖7（c）是信號經過跟隨器后輸出波形，達峰時間≤0.5 μs，峰持續時間≤5 μs。由此看出，電路的濾波效果良好，噪聲較小，在一定范圍內得到了準高斯波形，因此整個電路符合設計要求。

3 結 論

通過分析有源濾波成形電路的工作原理，利用軟件Multisim12.0進行電路最佳參數的選擇，結果顯示采用兩級有源濾波電路濾波成形，能夠輸出脈寬約為1 μs的準高斯波形，利于后端的脈沖幅度分析電路利用。該脈沖成形電路適用于便攜式小型化探測系統中的信號獲取以及濾波成形處理中。

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