基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制

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摘 要：采用交流耦合-阻容反馈式折叠型的结构，设计了一款基于光电雪崩二极管的电荷灵敏前置放大器，包括缓冲跟随器、电流型程控衰减器、高速线性放大器、程控极性转换、程控直流偏移电路、抗混叠RC电路等。经测试，该放大器的零电容噪声为2599e-，噪声斜率为24e-/pF。

关键词：雪崩二极管；电荷灵敏前置放大器；信噪比；灵敏度

光电雪崩二极管是一种新型光电转换器件，具有体积小、内置增益大、量子效率高、光谱响应范围宽和功耗低等优点，适合应用于伽马能谱测量等核仪器中。在核仪器中，为减小探测器输出端到输入端之间分布电容的影响，须采用前置放大器对信号作初步放大。电荷灵敏放大器具有增益稳定、噪声低和性能良好等优点，广泛应用于高分辨能谱测量系统中。

文章针对光电雪崩二极管，设计了与其匹配的低噪声折叠型电荷灵敏前置放大器，并对PCB板进行了较细致的布局，进一步提高了放大器的信噪比。由测试结果可知，该电荷灵敏前置放大器适合应用于伽马能谱测量系统。

1 电路设计

文章设计的电荷灵敏前置放大器采用电阻放电-交流耦合，其内部放大结构采用典型的折叠式结构。

1.1 JFET的选择

在选用电荷灵敏前置放大器的第一级JFET时，不仅须要考虑JFET自身的漏电流Id、共源输入电容Ciss、低频跨导Gm和等效噪声等参数以外，还须要考虑与前端探测器的阻容匹配问题。当探测器自身等效电容与前放第一级JFET的Ciss相等时，可获得最佳信噪比。因此，对于小电容探测器，可选用2N4416或2SK152等型号的JFET；对于大电容探测器，可选用2N6550或2SK147等型号的JFET，也可选择多个JFET并联使用。

本设计中探测器的输出电容源于S8664-1010型光电雪崩二极管，当偏压设置为350V时，结电容约为270pF。通过以上JFET选型要求可知，当且仅当JFET的输入电容Ciss与光电雪崩二极管输出电容相等时，方能获得最佳信噪比。由表1知，2SK147不仅低频跨导最大，漏电流较小，而且Ciss最大，选用两个2SK147并联作为电荷灵敏前置放大器第一级JFET时，电荷灵敏前置放大器的输入电容约为300pF，与270pF最为接近。

1.2 反馈电容的选择

由于光电雪崩二极管输出信号较小，对137Cs能量为662keV的伽玛射线，其输出电荷量通常在fC量级。为获得较大的信号，通常选用较小的反馈电容。因此，本设计采用0.1pF的高温反馈电容。另外，测试电容选用具有屏蔽端的三端电容，取值0.25pF，使用时需要屏蔽端接地。

2 电路原理

电路原理如图1所示：探测器输出信号经交流耦合电阻C4隔直后，进入JFET Q4进行放大。电阻R9接在Q4的源极，用以设置Q4的静态工作电流。C7是R9的旁路电容，高频信号输入时，R9被旁路，以增大Q4的高频放大倍数，从而增大电荷灵敏前置放大器的高频增益。Q4的漏极串联接NPN型三极管Q2，型号为2N3565，集电极串联接电阻R3。Q2管基极接地，因此Q4的漏极被Q2钳位在固定的电位上，这样能够最大程度上减小Q4管漏栅极之间的等效电容，通过这种方式，仅仅用单级放大即可获得高增益和宽频带。信号经Q4放大后，进入NPN管Q1缓冲反相输出，并施加在NPN管Q3的基极，经射极跟随器Q3后输出Vout。NPN管Q5为Q3提供一个恒定的电流源。电阻R7和R10设置Q5的静态电流。高频时，电容C5旁路了R7上的电压。

电荷灵敏前置放大器中常设有自举电路，用以增大电路的高频动态电阻，提高开环放大增益。图1中，电容C2一端连接在放大器输出端，另一端接Q1的集电极，构成自举电路。当输入为高频信号时，电容C2上几乎没有电流通过，故Q1的集电极和发射极之间的交流阻抗极大，有效地提升了Q4的漏极电阻。需要注意的是，必须设置电阻R2，以隔离Q3集电极、负载电阻与正电源电压，这样自举才能发生。输出端设置电阻R5，用以承担部分压降，从而减小Q3，Q5的耗散功率。R5被电容C3旁路，同时正负电源之间电压跨度为48V，因此，当负脉冲输入时，驱动Q5的能力不会被R5削减。R1、C1和R13、C9两个RC滤波电路，分别对正负24V电源进行滤波。电容C8用以提升开环的交流增益，允许通过任何正电源上的电压波动。

整个电荷灵敏前置放大器输入输出是反相关系。电压增益基本上是由第一级JFET Q4提供。反馈电容C4连接在输出端与输入端。复位电阻R8和R11设置放大器总的偏置电压，同时复位反馈电容C6，泄放C6上积累的电荷。C6取值0.1pF，因此该放大器的增益为10V/pC。输出脉冲的下降时间取决于反馈网络（C6，R8，R11）的时间常数τ（57μs），对于理想的电路，这些元件将独立的决定输出脉冲的下降时间，上述三个元件的RC时间大概为57μs。然而实际的下降时间约为50μs。

3 PCB布局

对于电荷灵敏前置放大器来说，好的电路设计与元件选型固然重要，但优秀的PCB布板更能让电荷灵敏前置放大器体现出优异的性能。

考虑到光电雪崩二极管输出信号小和易受环境干扰等问题，电荷灵敏前置放大器的PCB布板设计一般考虑采用四层板以提高抗干扰能力。中间两层设置为plane，用于电源层和地层，以屏蔽干扰信号。电荷灵敏前置放大器JFET管的栅极是布板的关键节点，要求该节点附近要尽量干净，并将该节点孤立起来，尽量降低其他元件和环境的干扰。具体措施如下：

（1）将JFET管Q4的输入节点孤立起来，以减小干扰。将该节点附近不相关的元件全部移开，将JFET管子的三个引脚距离稍微拉大，同时将耦合电容C4、反馈电容C6、反馈电阻R8和R11、测试电容C10的两个焊盘的间距稍微拉大，并将连接到JFET管子栅极的引脚尽量的挨在一起，然后将从耦合电容C4、JFET管子Q4、反馈电容C6、反馈电阻R8和R11、测试电容C10下面采用Keep-Out Layer挖空，将输入节点孤立起来。另外，JFET管子的输入端下面也不用敷铜，同时对于电源层要分割为+5V和-5V两块，以获得尽可能大的信噪比。