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多道能谱仪的低噪声放大器设计

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多道能谱仪的低噪声放大器设计

一、引言

多道能谱仪具有现场直接测量、多种元素快速分析等特点，已经成为一种重要的物质成分分析仪器而获得广泛的应用[1～3]。在高精度、高分辨率多道能谱仪硬件设计中，低噪声放大器的设计非常重要，也是难点。多道能谱仪中核探测器的输出信号一般比较小，为了降低噪声影响，通常核探测器的输出信号需要经过前置放大和主放大两个过程[4-5]。

传统的前置放大器应用电压灵敏前置放大器较多，但电荷灵敏前置放大器更具有良好的低噪声性能，输出信号幅度基本上不受探测器极间电容、放大器开环增益、输入电容和电压增益等参数稳定性的影响，得到广泛的应用，目前高精度、高分辨率能谱仪中前放几乎都是电荷灵敏前置放大器[6]。多道能谱仪主放大器最基本的功能是放大前置放大器输出的脉冲，以提供合适的脉冲幅度给多道脉冲幅度分析器使用。此外，成形电路还要对前放来的信号进行滤波成形，以使主放大器的输出信号有最佳的信噪比[7～9]。

二、电路结构

1.低噪声放大器整体设计。低噪声放大器整体设计如图1所示，采用两级放大和一级成形电路构成，对于微弱的信号，前置放大器最关键，应尽可能采用低噪声器件，精心设计PCB，否则引入的噪声将随着信号一起进入主放大器被放大。

主放大器应为线性脉冲放大器，对于多道能谱仪，特别强调线性，所谓线性是指主放大器的输出信号应与输入信号幅度保持严格的线性关系，同时应有足够的放大倍数，能将探测器给出的信号放大到足够的幅度。主放大器同时应为脉冲放大器，从频率特性来看，脉冲放大器绝对是宽带放大器，脉冲宽度tu愈窄，或信号上升时间tr愈短，则要求放大器的频带Δf愈宽。

2.前置放大器设计。前置放大器采用电荷灵敏放大器的结构。结型场效应管JFET具有很低的低频噪声和散粒噪声特性，所以选用JFET作为前置放大器的输入级，选用的型号为3DJ9F。

为了保证电荷灵敏前置放大器具有较高的信噪比和较快的时间响应，采用集成运放构成电荷灵敏放大器，选用了凌力尔特公司（LinearTechnology）生产的LT1028超低噪声、精准型高速运算放大器，LT1028的主要技术指标为：电压噪声：10kHz（最大值）；1kHz（典型值）；增益带宽积：50MHz（最小值）；电压转换速率：11V/μs（最小值）？；电压开环增益：7，000，000（最小值）；失调电压：40μV（最大值）；最大温度漂移：0.8μV/°C（最大值）；电压和电流噪声经过了100%的测试。前置放大器的电路结构见图2。

电路中R8为反馈电阻，C5为反馈电容，R8和C5构成的并联支路从集成运算放大器LT1028的输出端引出反馈信号到输入端，使放大器形成并联负反馈电路，Q1是结型场效应管，由它构成一个共源放大器，由于R8是级间负反馈电阻，对直流静态来说，使整个电路的静态工作点得以稳定。电路的静态工作点通过R5和R6进行调节，使Q1的VDS近似为1.1V，VGS近似为-0.8V。

3.成形电路的设计。在多道能谱仪中，前置放大器的输出信号不仅幅度还小，而且其脉冲尾部很长，这样的脉冲信号容易造成堆积，使能谱仪不能在高计数率条件工作，前放输出的脉冲波形类似指数衰减信号，峰形顶部很尖，这样也带来了弹道亏损，影响能谱仪能量分辨率的提高。通过设计一个极零相消成形电路，就可以消除脉冲的长尾，减小脉冲堆积。极零相消成形电路是在RC网络中添加适当的极点，使RC网络的传递函数极点和脉冲的零点相消，来改变脉冲的形状及宽度，并减小噪声，提高信噪比。

极零相消成形电路见图3。

三、放大器噪声仿真分析与测试

1.前置放大器噪声仿真分析。由于是测试低噪声放大器，实验室不具备这样的条件，使用OrCADPspice仿真工具对前置放大器电路噪声进行仿真。前置放大器电路的输出等效噪声分析频谱曲线如图5所示。

从图5可以看出低噪声前置放大电路的输出噪声约为10.3，折合到输入端的噪声电压为1.53。

2.两级放大器放大倍数线性测试及频率宽度测试。测试采用脉冲信号发生器和双踪示波器，输出频率为500kHz的脉冲信号，经过微分和积分的整形，且输入与输出反向，这样的信号符合多道脉冲幅度分析分析器要求。从表1和表2来看，放大器的线性度好，频带较宽，可以达到1000kHz。

四、结论

在前置放大器设计中，选用LT1028超低噪声、精准型高速运算放大器，利用OrCADPspice仿真工具对其进行噪声仿真分析来指导电路的元器件选择，对降低噪声效果明显。如能对PCB进行精心的设计，更能使噪声大大降低。

在主放大器设计中，选用NE5534N高速低噪声运算放大器，可使主放大器的放大倍数线性好，频率宽度宽，同