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構，設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、程控極性轉換、程控直流偏移電路、抗混疊RC電路等。經測試，該放大器的零電容噪聲為2599e-，噪聲斜率為24e-/pF。

關鍵詞：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換器件，具有體積小、內置增益大、量子效率高、光譜響應范圍寬和功耗低等優點，適合應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定、噪聲低和性能良好等優點，廣泛應用于高分辨能譜測量系統中。

文章針對光電雪崩二極管，設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板進行了較細致的布局，進一步提高了放大器的信噪比。由測試結果可知，該電荷靈敏前置放大器適合應用于伽馬能譜測量系統。

1 電路設計

文章設計的電荷靈敏前置放大器采用電阻放電-交流耦合，其內部放大結構采用典型的折疊式結構。

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Gm和等效噪聲等參數以外，還須要考慮與前端探測器的阻容匹配問題。當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并聯使用。

本設計中探測器的輸出電容源于S8664-1010型光電雪崩二極管，當偏壓設置為350V時，結電容約為270pF。通過以上JFET選型要求可知，當且僅當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不僅低頻跨導最大，漏電流較小，而且Ciss最大，選用兩個2SK147并聯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，用以設置Q4的靜態工作電流。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，從而增大電荷靈敏前置放大器的高頻增益。Q4的漏極串聯接NPN型三極管Q2，型號為2N3565，集電極串聯接電阻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設置Q5的靜態電流。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有自舉電路，用以增大電路的高頻動態電阻，提高開環放大增益。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，構成自舉電路。當輸入為高頻信號時，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，必須設置電阻R2，以隔離Q3集電極、負載電阻與正電源電壓，這樣自舉才能發生。輸出端設置電阻R5，用以承擔部分壓降，從而減小Q3，Q5的耗散功率。R5被電容C3旁路，同時正負電源之間電壓跨度為48V，因此，當負脈沖輸入時，驅動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24V電源進行濾波。電容C8用以提升開環的交流增益，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。復位電阻R8和R11設置放大器總的偏置電壓，同時復位反饋電容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絡（C6，R8，R11）的時間常數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，好的電路設計與元件選型固然重要，但優秀的PCB布板更能讓電荷靈敏前置放大器體現出優異的性能。

考慮到光電雪崩二極管輸出信號小和易受環境干擾等問題，電荷靈敏前置放大器的PCB布板設計一般考慮采用四層板以提高抗干擾能力。中間兩層設置為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鍵節點，要求該節點附近要盡量干凈，并將該節點孤立起來，盡量降低其他元件和環境的干擾。具體措施如下：

（1）將JFET管Q4的輸入節點孤立起來，以減小干擾。將該節點附近不相關的元件全部移開，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管子柵極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）減小輸入節點的電容。盡量增加輸入節點與底線之間的間距，以減小輸入電容。因此將與輸入節點相關的元器件（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gm=4mS的兩個并聯的JFET管（2SK147），其串聯噪聲可以通過一個與gm值成反比的串聯電阻Rs來表示，該比例常數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τ、絕對溫度T、串聯并聯的恒定噪聲源、APD極間電容Cd等參數有關。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；q表示電子的電荷量；Rb為偏壓電阻；A為常數；τ為主放大器的成形時間常數。

如果其他參數均已固定，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）之間的關系，那么電荷靈敏前置放大器的噪聲指標通常分為兩項：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BNC接口，以屏蔽測量環境的干擾，再將該金屬屏蔽盒置于恒溫箱內，以測量該電荷靈敏前置放大器在不同溫度下的噪聲。考慮到恒溫箱在制冷時會增加金屬盒內的濕度，因此需要在金屬屏蔽盒內放置一定量的干燥劑。選取測量頻帶達300kHz的TH1961型數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τ=RC=15μs，因此成形網絡的中心頻率為f0=1/（2πRC）≈10.62kHz，有fH>28f0，因此TH1961型數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 穩定性

放大器的長期穩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，期間峰位未發生移動，能譜未變寬，且未發生過熱現象。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定性良好。

5 結束語

針對光電雪崩二極管，設計了自放電型折疊結構的電荷靈敏前置放大器。從電路性能測試結果可知，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，且具有良好的穩定性，適合應用于伽馬能譜測量系統中。

參考文獻

[1]李元東，陳健，侯鐵剛，等.γ能譜儀探頭設計方案的改進[J].科技創新與應用，2016（27）：28-29.

[2]黃銳.基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設計[D].成都理工大學，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研究。