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負反饋的前置放大器的研制，通過合理的電路設計與電路調試，該型電流型前置放大器輸入NaI耦合CR160輸出脈寬為570 ns，輸出信號范圍在50 Ω的負載下可以達到5 V，可以用來對NaI等快速型閃爍體和光電倍增管的探測器輸出信號進行放大，滿足了后續電子學系統對于信號的要求。

關鍵詞：電流型前置放大器；能譜測量；電子學系統

為獲得閃爍體或固態探測器的輸出信號并將之送入后續的電子學處理系統，需要對高速信號進行高速低噪聲放大，從而需要進行高速電流型前置放大器的設計[1]。該前放系統主要由電源部分放大電路部分低噪聲線性穩壓芯片進行降噪穩壓。為了提高整個前放系統的穩定性和盡可能降低電源引入的系統噪聲，通過兩級的運算放大器提供高帶寬高輸出增益。同時針對提取高壓電離室信號的需求設計了高壓部分電路與放大電路的保護電路。

1 設計原理

1.1 信號處理設計

本型電流前置放大器信號處理電路主要包括高壓電路與放大電路。放大電路設計原理示意如圖1所示。該部分主要由電流運算放大器A1和緩沖驅動放大器A2組成。探測器直接輸出的核信號通常比較微弱，容易受到外部電磁環境的影響，為了使電流信號能以低噪聲高速地被放大，選擇了高速運算放大器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信號快成分的快速放大[2]。但是存在連接氣體探測器進行測試的時候發現極其容易震蕩的現象，后續根據AD8065的參數與芯片特性分析得出存在AD8065對于大信號情況下反饋回路驅動能力不足導致反饋電路震蕩，從而在AD8065輸出到反饋回路中加入以及緩沖芯片BUF634從而解決驅動能力不足的問題。為了保證前放的高帶寬和同時具有較大的信號輸出能力，本設計在AD8065后加入了放大緩沖級。第二級放大緩沖運算放大器A2選用電流反饋型運算放大器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搭配，同時其高達2 000 V/us的壓擺率提升了放大器的信號輸出能力。電壓型運放AD8065與高速緩沖芯片BUF634構成復合型閉合反饋電路。引入第二級緩沖放大芯片解決了第一級運算放大器AD8065在輸出信號幅度過大時驅動能力不足而帶來的輸出震蕩現象。

Rf和R1構成反饋網絡，反饋信號if為輸出電流i0的一部分，即，從而有電流放大倍數：

（1）

同時針對反饋回路布線不合理容易引入噪聲的缺陷進行了充分改進，將芯片選型換位適合高速信號處理的SOT23封裝并按照電路預估功率進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，提高系統信噪比。

1.2 電源電路設計

由于該前放電路中使用了高帶寬的集成運算放大器AD8065與BUF634，兩級深負反饋放大電路對于電源紋波較為敏感，電源噪聲將直接反映到輸出信號并影響輸出信號的信噪比等品質，從而降低后續成譜的分辨率[2]。因此，必須設計一個低噪聲大電流的電源系統為放大器提供穩定低噪聲的電源。電源入口處使用磁珠初步過濾電源線上耦合自周圍環境空間中的高頻噪聲。在進入LDO芯片之前，由于脈沖來臨時刻運算放大器高壓擺率對于電源提出了瞬間高電流輸出的需要，采用LC濾波網絡對于外部輸入的電源進行前級濾波降低系統電源噪聲。LDO1與LDO2分別組成線性穩壓電路，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優良的低噪聲低紋波電源。

2 性能測試

2.1 前放對探測器信號的響應

電流脈沖前置放大器由于其帶寬很寬，頻率響應快，相對傳統前放，會引入更多成分的噪聲，影響電流脈沖信號的上升沿與幅度，其測試結果顯示，在NaI閃爍體探測器與Cs137@662KeV的測試中表現良好，其輸出波形如圖2所示，NaI經過電流前放輸出的脈沖信號脈寬在570.19 ns，基本可以認為該脈沖是一個放大了的電流脈沖信號，其脈沖下面積正比于該粒子沉積在閃爍體中的能量，從而可以進行輸出化處理，進而得到譜線信息[3]。

2.2 前放信噪比測試

針對本前放在高壓氣體電離室下工作的需求進行了測試，獲得如圖3所示的脈沖信號，測試在丙烷氣體電離室陽極為2 500 V電壓下所測得波形，捕捉到的來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 結語

本文使用電流型運放與緩沖芯片構成了一型電流型前置放大器，通過實驗驗證了該前放使用NaI探測器耦合CR160光電倍增管測試的前放的輸出脈寬可以小到570.19 ns，輸入電離室信號時信噪比可以達到45.68 dB。本文中所設計的高速電流型前置放大器相對于傳統的電荷型前置放大器有更低的脈沖堆積率與更高的帶寬，配合配套開發的電流型數字多道系統可以在更高劑量率的工況下進行精細譜線識別等探測工作。

[參考文獻]

[1]葉莉華，汪海洋，王文軒，等.基于光電倍增管的低噪聲前置放大器的設計及其信號處理[J].電子器件，2013（3）：340-343.

[2]WILBURN W S，BOWMAN J D，PENTTILA S I.A low-noise current-mode preamplifier for gamma asymmetry measurements[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2005（1）：180-187.

[3]陳波，劉松秋，薛志華，等.低噪聲電荷靈敏前置放大器的噪聲分析[J].核電子學與探測技術，2008（3）：612-614.

[4]ATKIN E V，VORONIN A G，KLYUEV A D.A fast current preamplifier for silicon detectors[J].Instruments and Experimental Techniques，2010（1）：86-88.