一种用于放大快速小信号的电流灵敏型前置放大器/甄别器的研制

　　在辐射探测中,一些探测器,如电阻板室(RPC),多气隙电阻板室(MRPC),气体电子倍增器(GEM)等,其输出信号幅度小而且脉宽窄(幅度几十μA,脉宽一般几十ns)。在实际应用中,往往需要获取信号的幅度信息,并需要通过甄别其脉冲前沿获取时间信息。由于受到频带等因素的限制,一般的前置放大器无法很好的完成这一任务,这就需要针对这类快速小信号设计相应的电流灵敏型前置放大器/甄别器以实现上述功能。

　　1　电路原理

　　放大器电路原理如图1。首先通过第一级放大器将输入电流信号转换为电压信号,此级放大器采用电压并联负反馈。电压信号再经过倒相放大器转变为差模信号以增强抗干扰能力。此差模信号一路传递给快甄别器进行甄别,获取前沿时间信息;另一路传递给第二级放大器进一步放大,以获取幅度信息。

　    图2为使用示波器50Ω匹配观察到的MRPC的原始信号(通常幅度没有这么大,但幅度较小不便于观察),可以看出其前沿极快,只有大约2ns,脉宽大约10-12ns。

　    2　信号分析及主要芯片选取以MRPC信号为例,进行分析。

　　2·1　频域分析

　　这里采用单边衰减信号来模拟MRPC的信号进行频域分析。

　　可以看到当ω=2.5GHz时,|D(ω)|幅度已经很小,大约为0.06,已可以忽略,对应的物理频率f=397.9MHz。即要求前置放大器频带宽度要大于400MHz。

　　2　主要芯片选取

　　第一级的放大器产生的噪声会被下一级放大器继续放大,要求其噪声水平较低。选取Maxim公司的MAX3760低噪声互阻放大器作为第一级放大器,其跨阻为6.5kΩ,噪声仅为73nA量级,频带560MHz,可以很好的放大上述快速小信号。芯片本身带有倒相放大功能,输出为差模信号,给电路设计带来方便。

　　快甄别器需要时延及时延的离散要小。采用AD96685,其时延为2.5ns,离散仅为50ps,输出为ECL电平,与NIM电平的转换较为方便;第二级放大器采用AD8001,其通频带在增益为1时为880MHz,增益为2时为440MHz,可以满足放大第一级信号的需要。另外,由于信号可能需要传递给ADC,故需要此级放大器具有较强的输出驱动能力,AD8001的输出电流可达70mA,可以很好满足这一需要。

　　3　电路各部分概述

　　3·1　输入部分

　　由于信号很快,对输入电路要求有很好的阻抗匹配,且为方便测试电路,电路本身提供了一个测试信号输入端,可输入电压信号。通常MRPC信号使用双绞线传输,故输入端输入阻抗设为约90Ω,和双绞线的特性阻抗匹配。测试信号通常采用同轴电缆传输,故采用50Ω匹配。

　　3·2　第一级放大器

　　输入电流信号进入第一级放大器MAX3760的2脚虚地端,根据图1,会经反馈电阻Rf先产生一个电压信号输出,再经过芯片内部的倒相放大器变成差模电压输出,其中7脚输出为同相电压信号,6脚输出为反相电压信号。