多道能谱仪的低噪声放大器设计

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1、多道能谱仪的低噪声放大器设计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

2、、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

3、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

4、高速运算放大器，LT1028的主要技本文由.LHz（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

5、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　　

6、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

7、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，同时元件少，可靠性高。