一型电流型前置放大器的研制

盛磊

摘 要：文章完成了一型基于电流并联负反馈的前置放大器的研制，通过合理的电路设计与电路调试，该型电流型前置放大器输入NaI耦合CR160输出脉宽为570 ns，输出信号范围在50 Ω的负载下可以达到5 V，可以用来对NaI等快速型闪烁体和光电倍增管的探测器输出信号进行放大，满足了后续电子学系统对于信号的要求。

关键词：电流型前置放大器；能谱测量；电子学系统

为获得闪烁体或固态探测器的输出信号并将之送入后续的电子学处理系统，需要对高速信号进行高速低噪声放大，从而需要进行高速电流型前置放大器的设计[1]。该前放系统主要由电源部分放大电路部分低噪声线性稳压芯片进行降噪稳压。为了提高整个前放系统的稳定性和尽可能降低电源引入的系统噪声，通过两级的运算放大器提供高带宽高输出增益。同时针对提取高压电离室信号的需求设计了高压部分电路与放大电路的保护电路。

1 设计原理

1.1 信号处理设计

本型电流前置放大器信号处理电路主要包括高压电路与放大电路。放大电路设计原理示意如图1所示。该部分主要由电流运算放大器A1和缓冲驱动放大器A2组成。探测器直接输出的核信号通常比较微弱，容易受到外部电磁环境的影响，为了使电流信号能以低噪声高速地被放大，选择了高速运算放大器AD8065。AD8065具有最高145 MHz的﹣3 dB带宽，低至2pA的输入偏置电流和180 V/us的压摆率可以保证对信号快成分的快速放大[2]。但是存在连接气体探测器进行测试的时候发现极其容易震荡的现象，后续根据AD8065的参数与芯片特性分析得出存在AD8065对于大信号情况下反馈回路驱动能力不足导致反馈电路震荡，从而在AD8065输出到反馈回路中加入以及缓冲芯片BUF634从而解决驱动能力不足的问题。为了保证前放的高带宽和同时具有较大的信号输出能力，本设计在AD8065后加入了放大緩冲级。第二级放大缓冲运算放大器A2选用电流反馈型运算放大器BUF634，它拥有最高180 MHz的﹣3 dB带宽与AD8065组成了极其合适的参数搭配，同时其高达2 000 V/us的压摆率提升了放大器的信号输出能力。电压型运放AD8065与高速缓冲芯片BUF634构成复合型闭合反馈电路。引入第二级缓冲放大芯片解决了第一级运算放大器AD8065在输出信号幅度过大时驱动能力不足而带来的输出震荡现象。

Rf和R1构成反馈网络，反馈信号if为输出电流i0的一部分，即，从而有电流放大倍数：

（1）

同时针对反馈回路布线不合理容易引入噪声的缺陷进行了充分改进，将芯片选型换位适合高速信号处理的SOT23封装并按照电路预估功率进行尽可能小的阻容封装的选型（例如将0805贴片的电阻电容更换为0402），使用微小封装的元器件有助于减小电路板面积和使反馈路径最小化，减小电路板布线后的分布电容和电感，从而减小干扰噪声耦合路径，提高系统信噪比。

1.2 电源电路设计

由于该前放电路中使用了高带宽的集成运算放大器AD8065与BUF634，两级深负反馈放大电路对于电源纹波较为敏感，电源噪声将直接反映到输出信号并影响输出信号的信噪比等品质，从而降低后续成谱的分辨率[2]。因此，必须设计一个低噪声大电流的电源系统为放大器提供稳定低噪声的电源。电源入口处使用磁珠初步过滤电源线上耦合自周围环境空间中的高频噪声。在进入LDO芯片之前，由于脉冲来临时刻运算放大器高压摆率对于电源提出了瞬间高电流输出的需要，采用LC滤波网络对于外部输入的电源进行前级滤波降低系统电源噪声。LDO1与LDO2分别组成线性稳压电路，在LDO输出之后的两组CL分别组成π型LC滤波电路，它们可以过滤电源中的一部分噪声并减小电源纹波，从而给后端的用电的放大电路提供品质优良的低噪声低纹波电源。

2 性能测试

2.1 前放对探测器信号的响应

电流脉冲前置放大器由于其带宽很宽，频率响应快，相对传统前放，会引入更多成分的噪声，影响电流脉冲信号的上升沿与幅度，其测试结果显示，在NaI闪烁体探测器与Cs137@662KeV的测试中表现良好，其输出波形如图2所示，NaI经过电流前放输出的脉冲信号脉宽在570.19 ns，基本可以认为该脉冲是一个放大了的电流脉冲信号，其脉冲下面积正比于该粒子沉积在闪烁体中的能量，从而可以进行输出化处理，进而得到谱线信息[3]。

2.2 前放信噪比测试

针对本前放在高压气体电离室下工作的需求进行了测试，获得如图3所示的脉冲信号，测试在丙烷气体电离室阳极为2 500 V电压下所测得波形，捕捉到的来自于铀矿的高能伽马射线波形[4]。得到信噪比约为45.68 dB。

3 结语

本文使用电流型运放与缓冲芯片构成了一型电流型前置放大器，通过实验验证了该前放使用NaI探测器耦合CR160光电倍增管测试的前放的输出脉宽可以小到570.19 ns，输入电离室信号时信噪比可以达到45.68 dB。本文中所设计的高速电流型前置放大器相对于传统的电荷型前置放大器有更低的脉冲堆积率与更高的带宽，配合配套开发的电流型数字多道系统可以在更高剂量率的工况下进行精细谱线识别等探测工作。

[参考文献]

[1]叶莉华，汪海洋，王文轩，等.基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理[J].电子器件，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]陈波，刘松秋，薛志华，等.低噪声电荷灵敏前置放大器的噪声分析[J].核电子学与探测技术，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.