便携能谱仪放大电路的集成化研究

在便携能谱仪的研制过程中,需要在保证性能指标的前提下尽量减少电子电路的体积。因此采用集成放大电路(芯片)是一种解决体积与性能矛盾的较好的方法。本文采用了Cre2mat公司的前置放大电路芯片和成形芯片,这两种芯片功耗低,不需要低温致冷,在常温(或电致冷)下即可正常工作,并达到良好的信噪比等指标,大大缩小了电路的体积,非常适合于在便携仪器中使用。如果进一步采用电致冷装置,将探测器与前放电路的工作温度降为-40℃,可获得良好的分辨率。

1　前置放大器与成形放大器原理

1.1　电荷灵敏前置放大器的工作原理

如图1,ii为探测器输出电流,tw为信号持续时间,Ci为不考虑反馈积分电容Cf的总输入电容(Ci=CD+CA+CS,CD为探测器的极间电容,CA为放大器输入电容,CS为输入端分布电容)。当放大器输入端的总电阻足够大时,输入电流信号ii在输入端总电容Ci上的积分为信号电压vi,其幅度VIM等于Q/Ci。vi由电压放大器进行放大,则输出电压幅度VOM也与Q成正比。此时电流脉冲的形状仅影响输出电压信号前沿的变化速度,而不影响其幅度VOM与Q的正比关系。

由图1,输出信号电压的稳定值

即输出电压幅度与电荷量成正比。

1.2　成形放大器的工作原理

有源滤波器(图2)可以代替CR2RC网络,除去许多噪声成分,减少了RC网络电阻产生的影响,并且上升沿、下降沿更加陡峭。可以用少量的元件获得更多次的积分,使输出波形更接近于高斯形状;并可以获得共轭复数极点,改善滤波成形电路的性能。

假设A是理想运算放大器,在低频时(C1、C2开路)电压放大倍数为:(R3+R4)/R4。利用叠加定理,在复频域的输入输出关系为:

2　前放芯片与成形芯片的介绍

2.1　前放电路

图3为CR2110的外观,图4为CR2110的等效电路图。

性能分析:

1)等效噪声电荷(ENC):将输出噪声电压均方根值Vn折合为输入电荷量,即为等效噪声电荷:

　　其中hM为输出电压幅度与输入电荷量之比,η为输出信噪比。

CR2110无负载时ENC正常值为150 rms电子;接CdZnTe探测器时的等效噪声为2.1keV(FWHM)。

2)等效噪声电荷斜率(ENC slope):定义为前置放大器输入端对地每外加1pF电容时,噪声的增加量。CR2110的等效噪声电荷斜率为:3.1rms电子/pF。

3)变换增益:当电荷灵敏前置放大器输入一定的电荷Q时,若输出电压幅度为V0M,则称V0M/Q为变换增益或电荷灵敏度。即:ACQ= VOM/Q,ACQ≈1/Cf(V/C)

　　CR2110中Cf=1.4pF,输出级增益为2,则:ACQ≈(1/1.4)×2≈1.4(V/pC)。

4)上升时间:实际情况计算上升时间,采用:tR=0.4Cd+7ns,其中Cd是探测器电容(pF)。