一种单电源电荷灵敏放大器的设计

参考文献:
[1]张志勇,等.硅 光 电 二 极 管 与 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 在中微子实验中 的 设 计 应 用 研 究 [J].核 电 子 学 与 探 测 技 术 ,2002,22(2):138.
[2]李振元.低噪声电荷灵 敏 前 置 放 大 器 [J].核 电 子 学 与探测技术 ,1987,7(6):337.
一般的核探测器采用电压放大器即可获得 输 出 电 压 ,而 在 半 导 体 探 测 器 的 应 用 中 ,由 于 探 测器结电容随温度和探测器的工作电压的变化 而 变 化 ,使 输 出 电 压 变 得 不 稳 定 ,无 法 满 足 测 量 要 求 ,电 荷 灵 敏 放 大 器 的 设 计 可 解 决 这 一 问 题 。 电荷灵敏放大器实质是一个并联电压负反馈结
[3]E.科瓦尔 斯 基.核 电 子 学 [M].北 京:原 子 能 出 版 社 ,1975.
Thecircuitdesignofasinglesupplycharge-sensitiveamplifier
6 工艺设计
原理图设 计 思 想 需 要 PCB 设 计 工 艺 及 其 他工艺的保证才能使电路的性能达到预期的设 计目标,对于 电 荷 灵 敏 放 大 器 更 是 如 此。 电 路 的工 艺 设 计 也 是 很 重 要 的 一 环,设 计 时 要 考 虑 电 路 板 的 设 计 、电 磁 屏 蔽 、避 光 、防 潮 、防 震 等 工 艺。在电路板的 设 计 中 要 注 意 以 下 内 容:元 件 应 从 输 入 至 输 出 顺 序 排 列 ,分 布 均 匀 ,连 线 要 尽 量 短 ,电 源 线 要 尽 量 远 离 信 号 线 ,电 路 板 设 计 最 好大面 积 敷 铜。 另 外 印 制 板 清 洁 处 理 同 样 重 要。电磁屏蔽采用铜材料或不干胶屏蔽胶带等 新 型 电 磁 兼 容 材 料,避 光 工 艺 采 用 了 黑 色 胶 带 和 滤 光 片 ,防 潮 和 防 震 采 用 了 电 路 浸 胶 工 艺 。
表1 常用场效应管的特性
型号
跨导 /ms
等效噪声 电 压/nV
漏源饱和电 流IDS/mA
输入阻 抗/Ω
3DJ4D 2.5
11
0.05～0.35
1010
3DJ7I
2
5
1～3.5
1010
2N4416 6
6
1～3
1010
目前单电源低电压运算放大器种类很多, 根据需要可 选 场 效 应 管 输 入 型 或 CMOS 输 入 型 ,同 时 根 据 整 体 设 计 要 求 ,要 考 虑 芯 片 的 工 作
5 电路性能
电路主要 性 能 测 试 结 果,电 荷 灵 敏 度 ACQ =2×1012V/C;上 升 时 间 小 于 50ns;最 高 计 数 率 大 于 500kHz;
噪声电压小于2mV;信 噪 比 5 倍(241Am); 工作电流小于1mA;工作电压:在 2.7～5.5V; 在 0～50℃ 之 间 平 均 温 度 系 介绍的单电源电荷灵敏放大器已应用 在 半 导 体 个 人 剂 量 仪 中 ,经 长 期 使 用 ,电 路 性 能 稳定。单电源的电荷灵敏放大器为仪器便携、 低功耗、电池 供 电 设 计 提 供 了 基 础。 电 路 在 实 际 使 用 中 ,在 噪 声 、电 磁 兼 容 等 性 能 方 面 还 有 待 提高。
关 键 词 :电 荷 灵 敏 ;单 电 源 ;运 算 放 大 器 中图分类号: TN722.71 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2006)05-0630-03
集成运算放大器的快速发展为设计不同特 点和性能的电荷灵敏放大器带来很大的便利。 具 有 不 同 功 能、特 性 的 集 成 运 算 放 大 器 种 类 繁 多,从供电方 式 分 为 双 电 源 和 单 电 源 两 种。 一 般的电荷灵敏放大器常采用双电源运算放大器 设计,具有设 计 简 单、输 出 动 态 宽、可 产 生 负 脉 冲等优点,通 常 在 能 量 分 辨 辐 射 测 量 中 使 用。 而对于一些电池供电的便携式放射性测量仪器 仪 表 ,需 要 设 计 具 有 单 电 源 、低 功 耗 特 点 的 电 路 来满足仪器的要求。采用结型场效应管和单电 源 集 成 运 算 放 大 器 组 成 的 电 荷 灵 敏 前 放,具 有 单 工 作 电 压 、低 功 耗 的 特 点 ,适 合 在 半 导 体 个 人 剂量仪等便携式辐射仪器中应用。
实际工作点 设 计 运 放 虚 地 电 压 设 计 为2.2 V,静态时运放6 脚 输 出 电 压 1.6V 左 右,场 效 应管栅极为1.6V 左右,工 作 点VDS选 在 0.4～ 0.6V 之间,VGS 在 0～ -0.4V 之 间,IDS 在0.2 mA 左右。基 于 减 少 信 号 堆 积 和 噪 声 的 考 虑, 根据需要 R6选 用 10～100MΩ 的 金 属 膜 电 阻。 为提高信 号 输 出 幅 度,增 加 信 噪 比,反 馈 电 容 C1采用温度稳定 性 好 的 0.5pF 电 容。 电 容 C2 接在 反 馈 电 阻 和 电 容 之 间 实 现 交 流 耦 合,可 提 高高频特性。 电 源 采 用 3.3V 单 电 源,由 于 电 源很 小 的 扰 动 可 产 生 很 大 的 噪 声,根 据 需 要 可 增加 滤 波 电 路 消 除 电 源 纹 波 噪 声,以 减 小 电 源 产生的干扰。以上参数设计与使用探测器类型 有 一 定 关 系,使 用 不 同 探 测 器 可 以 微 调 一 些 参 数能提升电路性能。
表2 几种放大器具体指标
型号
电源电 压/V
工作电 流/mA
等效噪 声/nV
带宽 /MHz
INA155 2.7～5.5 0.7
38
MAX495 2.4～5.5 0.15
50
TLV2372 2.7～15
0.66
39
1 0.3
3
4 电路分析
图3 实用电路原理图
3 器件性能
电荷灵敏放 大 器 性 能 的 好 坏,器 件 的 选 择 至 关 重 要,本 电 路 关 键 器 件 是 场 效 应 管 和 单 电 源集成 运 算 放 大 器。 场 效 应 管 一 般 选 择 噪 声 低、跨导高、低 饱 和 电 流 的 结 型 场 效 应 管,常 见 型号有国产 3DJ4、3DJ7 等,国 外 产 的 2N4416、
如图3,信号从场效 应 管 栅 极 输 入 反 向 后, 流 入 放 大 器 正 向 输 入 端,由 反 馈 电 阻 和 反 馈 电 容构成并联电压负反馈放大器。放大器中输入 级 场 效 应 管 采 用 共 源 方 式,其 栅 极 通 过 反 馈 电 阻 R6来稳定其静态工作点,使其在0V 或负偏 压下获 得 最 低 噪 声。R6 同 时 是 积 分 电 容 C4 的放电 回 路,其 RC 常 数 影 响 输 出 脉 冲 的 下 降 时 间 。C1 是 耦 合 电 容 ,依 据 探 测 器 工 作 电 压 选 择高压电容 或 普 通 低 压 电 容。R1 为 限 流 保 护 电阻。D1、D2用来保 护 输 入 端,当 输 入 端 正 信 号和负信号大于二级管反向导通电压和正向导
通电压时,信号 被 二 级 管 钳 位。R2、R3 是 场 效 应管3DJ7I的偏 置 电 阻,其 电 阻 值 根 据 场 效 应 管 的 转 移 特 性 曲 线 确 定 ,首 先 确 定 漏 源 电 流 ,在 假定 虚 地 电 压 值 后,可 确 定 R4、R5、R3 电 阻
631
值 ,由 于 栅 极 无 电 流 产 生 ,其 直 流 电 压 等 于 运 放 6脚输出电 压,而 场 效 应 管 的 源 极 电 压 被 设 计 小 于 栅 极 电 压 ,使 栅 源 电 压 为 负 ,从 而 保 证 场 效 应管正常工 作。 另 外 为 保 证 运 放 正 常 工 作,漏 极电压设计等于运放虚地电压。
图1 电路原理图
收 稿 日 期 :2006-03-15 作者简介:邓长明(1968-),男,山西 平 遥 人,中 国 辐 射 防 护 研 究 院 副 研 究 员 ,从 事 核 电 子 学 研 究
2 电路设计
2.1 单电源运算放大器
630
模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压 的条 件 下 使 用 运 算 放 大 器,如 图 2 左 边 的 那 个 电路。一个双电源是由一个正电源和一个相等 电 压 的 负 电 源 组 成,一 般 是 ±15、±12 和 ± 5V。输入电 压 和 输 出 电 压 包 括 正 负 电 压 的 摆 动幅度,都是 参 考 地 给 出 的。 单 电 源 供 电 的 电 路(图2右),运 算 放 大 器 的 电 源 两 脚 分 别 连 接 到正电源和地。正电源引脚接到运算放大器的 VCC 引脚,地 连 接 到 运 算 放 大 器 VCC 引 脚 或 GND。将正电压通过 电 阻 分 压,获 得 直 流 偏 压 作 为 虚 地 接 到 运 算 放 大 器 的 输 入 引 脚 上,这 时 运算放大器的输出电压接近电源的一半电压, 单电源运算放大器输入和输出是参考电源地 的,在 实 际 应 用 中 一 般 需 在 两 级 放 大 器 之 间 加 入 隔 直 电 容 ,以 方 便 工 作 点 的 设 计 。
构的放大器,电 路 原 理 如 图 1。 电 容 Cf从 放 大 器 输 出 端 引 出 负 反 馈 加 到 输 入 端,等 效 到 输 入 端其 容 量 为 Cf(1+K),K 是 放 大 器 的 放 大 倍 数,而总 的 输 入 端 电 容 等 效 为 CD +CΣ +Cf(1 +K),其中CD是探测器结电容,CΣ 为分布电容 和输入电容之和。如果选择的放大器增益 K 足够 大,则 输 出 电 压 U ≈ΔQ/Cf。 因 此 电 荷 灵 敏放大器的主要特点是输出电压与入射射线的
能 量 成 正 比,并 消 除 了 探 测 器 结 电 容 和 分 布 电 容的影响。采用集成运算放大器设计的电荷灵 敏 放 大 器,为 降 低 噪 声 一 般 在 放 大 器 加 一 级 结 型 场 效 应 管 输 入 级,再 根 据 实 际 电 路 要 求 选 择 合适的集成运算放大器。