CN103888084B - 一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器，包括信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路；所述的信号预处理电路用于对探测器产生的电荷信号进行预处理并输出脉冲信号；所述的电荷灵敏前置放大电路用于将信号预处理电路输出的脉冲信号转换成电压信号；所述的脉冲成形电路用于将电荷灵敏前置放大电路输出的电压信号进行脉冲成形输出；所述的直流偏压电路利用电阻分压分别对电荷灵敏前置放大电路和脉冲成形电路中的放大器静态工作点进行偏置；所述信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路采用集成方式连接；该集成前置放大器能够实现对沉积能量大于57keV的带电粒子测量。
Description
技术领域
本发明涉及放大器技术领域，尤其涉及一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器。
背景技术
目前在带电粒子测量中，大多数使用了半导体探测器，一定能量的带电粒子进入探测器时，其能量部分或全部损失在探测器内，被探测器所吸收。此时，输出脉冲幅度取决于入射粒子能量的大小。一般来说，输出脉冲幅度的量级为毫伏/兆电子伏，仪器直接很难测量，因此对半导体探测器输出的微弱脉冲进行前置放大的需求得以提出，前置放大器是带电粒子探测器的一个重要组成部分。
以往的粒子探测器中前置放大器多采用分立元件或运算放大器加外围阻容元件的方式，最终通过改变外接电荷灵敏反馈电容的容值大小来获得相应的脉冲电压信号。该方式抗外界干扰能力差，往往需要采取额外的滤波措施或屏蔽结构对前置放大器进行处理，以获得较好的信噪比。此外，由于外围元器件数量多，使得前置放大电路的体积大、重量重、功耗大而且电路可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的前置放大器由于外围元器件数量多导致其结构复杂、体积大、重量重、功耗大，且电路可靠性低的技术问题，本发明提出一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器，该集成前置放大器能够实现对沉积能量大于57keV的带电粒子测量；可用于高能电子、质子探测器以及重离子探测器以外，还可用于其它带电粒子测量领域。
为达到上述目的，本发明提出了一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器，该集成前置放大器包含：信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路，其中，信号预处理电路与电荷灵敏前置放大电路相连，电荷灵敏前置放大电路与脉冲成形电路相连，偏压电路与电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路相连。该专用集成前置放大器配合半导体探测器使用，能测量沉积能量大于57keV的带电粒子，可根据外接不同容值的电荷灵敏反馈电容调整放大器电荷灵敏放大倍数，并转换成相应电压信号输出。
所述的信号预处理电路用于对探测器产生的电荷信号进行预处理并输出脉冲信号；所述的电荷灵敏前置放大电路用于将信号预处理电路输出的脉冲信号转换成电压信号；所述的脉冲成形电路用于将电荷灵敏前置放大电路输出的电压信号进行脉冲成形输出；所述的直流偏压电路利用电阻分压分别对电荷灵敏前置放大电路和脉冲成形电路中的放大器静态工作点进行偏置；所述信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路采用集成方式连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的信号预处理电路采用阻容耦合方式，其包括隔直电容和第一电阻；所述第一电阻的一端与隔直电容的输入端连接，其另一端接地，所述隔直电容的输出端与电荷灵敏前置放大电路的输入端连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电荷灵敏前置放大电路采用电容反馈方式，其包括电荷灵敏反馈电容、反馈电阻、第一放大器和第一滤波电容；所述的电荷灵敏反馈电容和反馈电阻并联后分别与第一放大器的反相输入端、输出端连接；所述第一放大器的反相输入端还与隔直电容的输出端连接，所述第一滤波电容的输入端与放大器电源连接，其输出端接地。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电荷灵敏前置放大电路采用电容滤波方式，以降低放大器电源输入端的噪声。
作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲成形电路采用反相输入方式，其包括第一微积分电阻、第二微积分电阻、第一微积分电容、第二微积分电容和第二放大器；所述第一微积分电容、第一微积分电阻和第一放大器依次串联，所述第一微积分电阻的输出端与第二放大器的反相输入端相连，所述第二微积分电阻和第二微积分电容并联后分别与第二放大器的反相输入端、输出端连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述直流偏压电路采用电阻分压方式，其包括第一分压电阻、第二分压电阻和第二滤波电容；所述第一分压电阻的一端分别与第二分压电阻的一端、第一放大器和第二放大器的同相输入端相连，所述第一分压电阻的另一端与放大器电源输入端相连，所述第二分压电阻的另一端接地，所述第二滤波电容与第二分压电阻并联。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的直流偏压电路采用电容滤波方式，以防止外界噪声对放大器输入端产生干扰。
一般来说，噪声主要来源于外界因素或电子器件本身。对于外界噪声，可通过增加屏蔽结构等方式加以减小。而对于内部电子器件产生的噪声，如前置放大器外围的电阻、电容等元件产生的热噪声、寄生电容等，则无法通过该方法消除。因此，采用集成设计方式后，由于该集成器件的封装本身能提供良好的屏蔽作用，此外，阻容元件采用内部集成后，各种寄生效应也会随之大大减小，从而提高了本发明的集成前置放大器的信噪比。
与现有技术相比，本发明的一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器的优点在于：
本发明所述的集成前置放大器对带电粒子测量具有重要的实际意义，采用集成工艺实现信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏置电路的集成，从而简化了前置放大器的结构，降低了体积和重量，减少了功率的消耗；该集成前置放大器无需外接阻容元件，阻容元件采用内部集成后，各种寄生效应也会随之大大减小，从而提高了本发明的集成前置放大器的信噪比，并可根据实际需要外接不同电荷灵敏反馈电容调整相应电荷灵敏放大倍数，即可实现沉积能量大于57keV的带电粒子测量；该集成前置放大器采用集成电路工艺实现，可以减小非集成设计方式需要连线引起的寄生电容影响，从而有效降低放大器的本底噪声。
附图说明
图1为本发明的集成前置放大器工作原理框图；
图2为本发明的信号预处理电路实施例的示意图；
图3为本发明的电荷灵敏前置放大电路实施例的示意图；
图4为本发明的脉冲成形电路实施例的示意图；
图5为本发明的偏压电路实施例的示意图。
图6为本发明的一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器的电路图。
图7为利用本发明的集成前置放大器测量得到的实测结果图。
附图标记
C1、隔直电容 R1、第一电阻
C2、电荷灵敏反馈电容 R2、反馈电阻
C3、第一微积分电容 R3、第一微积分电阻
C4、第二微积分电容 R4、第二微积分电阻
C5、第一滤波电容 R5、第一分压电阻
C6、第二滤波电容 R6、第二分压电阻
U1A、第一放大器 U1B、第二放大器
Vdd、放大器电源
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。
本发明的一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器，该集成前置放大器配合半导体探测器，用于测量沉积能量大于57keV的带电粒子，可根据外接不同容值的电荷灵敏反馈电容调整放大器电荷灵敏放大倍数，并转换成相应电压信号输出，用集成电路工艺实现，即将有源和无源器件制作在同一块半导体基片上实现集成前置放大器的设计，如图1所示，所述的集成前置放大器包含：信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路。所述的信号预处理电路用于对探测器产生的电荷信号进行预处理并输出脉冲信号；所述的电荷灵敏前置放大电路用于将信号预处理电路输出的脉冲信号转换成电压信号；所述的脉冲成形电路用于将电荷灵敏前置放大电路输出的电压信号进行脉冲成形输出；所述的直流偏压电路利用电阻分压分别对电荷灵敏前置放大电路和脉冲成形电路中的放大器静态工作点进行偏置；所述信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路采用集成方式连接。
电荷灵敏前置放大电路，该电路包含低噪声CMOS工艺运算放大器U1A，利用运算放大器将信号预处理电路输出的脉冲信号转换成电压信号；
脉冲成形电路，该电路包含CMOS工艺运算放大器U1B，利用运算放大器将前放U1A的输出信号进行脉冲成形输出；
基于上述的用于带电粒子探测器的集成前置放大器，如图2所示，所述的信号预处理电路采用阻容耦合方式，其包括隔直电容C1和第一电阻R1；所述第一电阻R1的一端与隔直电容C1的输入端连接，其另一端接地，所述隔直电容C1的输出端与电荷灵敏前置放大电路的输入端连接。
如图3所示，所述电荷灵敏前置放大电路采用电容反馈方式，其包括电荷灵敏反馈电容C2、反馈电阻R2、第一放大器U1A和第一滤波电容C5；所述的电荷灵敏反馈电容C2和反馈电阻R2并联后分别与第一放大器U1A的反相输入端、输出端连接；所述第一放大器U1A的反相输入端还与隔直电容C1的输出端连接，所述第一滤波电容C5的输入端与放大器电源Vdd连接，其输出端接地。所述电荷灵敏前置放大电路可采用电容滤波方式，以降低放大器电源输入端的噪声。
电荷灵敏前置放大电路的电容滤波主要是利用第一滤波电容C5的储能特性，接在直流电压两端的第一滤波电容C5，当电压发生突变时，第一滤波电容C5上的电压不会发生突变，而是呈现一个缓慢的上升或下降的过程，有利于减少直流电压的波动，避免元器件两端出现剧烈的电压变化。
如图4所示，所述脉冲成形电路采用反相输入方式，其包括第一微积分电阻R3、第二微积分电阻R4、第一微积分电容C3、第二微积分电容C4和第二放大器U1B；所述第一微积分电容C3、第一微积分电阻R3和第一放大器U1B依次串联，所述第一微积分电阻R3的输出端与第二放大器U1B的反相输入端相连，所述第二微积分电阻R4和第二微积分电容C4并联后分别与第二放大器U1B的反相输入端、输出端连接。
如图5所示，所述直流偏压电路采用电阻分压方式，其包括第一分压电阻R5、第二分压电阻R6和第二滤波电容C6；所述第一分压电阻R5的一端分别与第二分压电阻R6的一端、第一放大器U1A和第二放大器U1B的同相输入端相连，所述第一分压电阻R5的另一端与放大器电源Vdd输入端相连，所述第二分压电阻R6的另一端接地，所述第二滤波电容C6与第二分压电阻R6并联。所述的直流偏压电路采用电容滤波方式，以防止外界噪声对放大器输入端产生干扰。
直流偏压电路的电容滤波主要是利用第二滤波电容C6的储能特性，接在直流电压两端的第二滤波电容C6，当电压发生突变时，第二滤波电容C6上的电压不会发生突变，而是呈现一个缓慢的上升或下降的过程，有利于减少直流电压的波动，避免元器件两端出现剧烈的电压变化。
带电粒子探测器产生的电荷信号从图2中的信号预处理电路Q端输入，隔直电容后产生的脉冲信号V1经过电荷灵敏前置放大电路，利用放大器的工作特性，得出如下转换公式：
其中，V2为电压信号，C2为电荷灵敏反馈电容量，单位为pF。电荷Q为来自带电粒子引起的电子空穴对，对于硅半导体探测器而言，硅的平均电离功为ε0=3.62eV。由此可得转换公式如下：
其中ΔE为带电粒子的沉积能量，单位为MeV。设A为电荷灵敏放大器电路的电荷灵敏度，常用单位为mV/MeV，由此可得：
由此，通过所述电荷灵敏前置放大电路的运算，即可得到带电粒子的沉积能量与对应的电压信号。
所述的电压信号V2从图4中的第一微积分电容C3输入，经过脉冲成形电路的微积分运算，形成可以进行幅度分析的窄脉冲。在本实施例中，所述脉冲成形电路的电压增益为-R4/R3e，其中常数e≈2.71828。所述脉冲成形电路的各微积分电阻、微积分电容大小应当满足以下条件：
R3C3＝R4C4＝τ
式中τ为脉冲成形电路的时间常数，此时所述脉冲成形电路具有最佳信噪比和分辨率。
如图7所示，为本实施例中利用上述集成前置放大器测量得到的实测结果。实测结果显示，本发明的集成前置放大器内部集成的电荷灵敏反馈电容C2的电容量约为2.2pF，同时，脉冲成形电路的电压增益约3倍，输出信号幅度约6.8mV，依据上述计算公式可得等效输入沉积能量△E约等于113keV，从图中可以看出，本发明的集成前置放大器的信噪比优于2:1，即等效噪声水平约57keV。因此，本发明的集成前置放大器具有良好的电荷灵敏前置放大能力及脉冲成形能力，实际试验结果还表明了该电路具有良好的低噪声、低功耗、可靠性和快速响应性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种用于带电粒子探测器的集成前置放大器，其特征在于，所述的集成前置放大器包括信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路；所述的信号预处理电路用于对探测器产生的电荷信号进行预处理并输出脉冲信号；所述的电荷灵敏前置放大电路用于将信号预处理电路输出的脉冲信号转换成电压信号；所述的脉冲成形电路用于将电荷灵敏前置放大电路输出的电压信号进行脉冲成形输出；所述的直流偏压电路利用电阻分压分别对电荷灵敏前置放大电路和脉冲成形电路中的放大器静态工作点进行偏置；所述信号预处理电路、电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路和直流偏压电路采用集成方式连接。
2.根据权利要求1所述的用于带电粒子探测器的集成前置放大器，其特征在于，所述的信号预处理电路采用阻容耦合方式，其包括隔直电容(C1)和第一电阻(R1)；所述第一电阻(R1)的一端与隔直电容(C1)的输入端连接，其另一端接地，所述隔直电容(C1)的输出端与电荷灵敏前置放大电路的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的用于带电粒子探测器的集成前置放大器，其特征在于，所述电荷灵敏前置放大电路采用电容反馈方式，其包括电荷灵敏反馈电容(C2)、反馈电阻(R2)、第一放大器(U1A)和第一滤波电容(C5)；所述的电荷灵敏反馈电容(C2)和反馈电阻(R2)并联后分别与第一放大器(U1A)的反相输入端、输出端连接；所述第一放大器(U1A)的反相输入端还与隔直电容(C1)的输出端连接，所述第一滤波电容(C5)的输入端与放大器电源(Vdd)连接，其输出端接地。
4.根据权利要求3所述的用于带电粒子探测器的集成前置放大器，其特征在于，所述脉冲成形电路采用反相输入方式，其包括第一微积分电阻(R3)、第二微积分电阻(R4)、第一微积分电容(C3)、第二微积分电容(C4)和第二放大器(U1B)；所述第一微积分电容(C3)、第一微积分电阻(R3)和第一放大器(U1B)依次串联，所述第一微积分电阻(R3)的输出端与第二放大器(U1B)的反相输入端相连，所述第二微积分电阻(R4)和第二微积分电容(C4)并联后分别与第二放大器(U1B)的反相输入端、输出端连接。
5.根据权利要求4所述的用于带电粒子探测器的集成前置放大器，其特征在于，所述直流偏压电路采用电阻分压方式，其包括第一分压电阻(R5)、第二分压电阻(R6)和第二滤波电容(C6)；所述第一分压电阻(R5)的一端分别与第二分压电阻(R6)的一端、第一放大器(U1A)和第二放大器(U1B)的同相输入端相连，所述第一分压电阻(R5)的另一端与放大器电源(Vdd)输入端相连，所述第二分压电阻(R6)的另一端接地，所述第二滤波电容(C6)与第二分压电阻(R6)并联。
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| CN2901697Y (zh) * | 2006-06-13 | 2007-05-16 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 高压宽频带脉冲放大器 |
| CN201536350U (zh) * | 2009-07-07 | 2010-07-28 | 西北核技术研究所 | 低噪声宽带前置放大器 |
-
2014
- 2014-03-25 CN CN201410113801.9A patent/CN103888084B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4500848A (en) * | 1981-08-25 | 1985-02-19 | Lmt Radio Professionnelle | Field effect transistor microwave amplifier |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于电荷灵敏放大器的辐射测量电路设计与仿真;尹静;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20100815(第8期);I140-565 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103888084A (zh) | 2014-06-25 |
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