一種新型的電流靈敏前置放大器

1、第22卷第2期2002年3月核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)NuclearElectronics&DetectionTechnology.22No.2VolMarch2002一種新型的電流靈敏前置放大器鄭健,楊自覺(jué),王立強(qiáng)(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院,北京100084)摘要:低噪聲、數(shù)字化、集成度高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是當(dāng)今輻射成像測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)之一針對(duì)這關(guān)鍵詞:輻射成像;前置放大器中圖分類(lèi)號(hào):TN722.3;TN722.71:20934()2030、醫(yī)療診斷、安全檢測(cè)等方面有著不可替代的、非常重要的應(yīng)用。隨著對(duì)檢測(cè)精度、檢測(cè)速度、檢測(cè)設(shè)備的智能化集成化以及檢測(cè)對(duì)象的規(guī)模不斷提高,傳統(tǒng)上以分立器件或低集

2、成度器件構(gòu)成的阻容反饋式前置放大器顯得越來(lái)越不適應(yīng)輻射成像系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。當(dāng)前,開(kāi)關(guān)積分器形式的高度集成的前置放大器已經(jīng)在輻射成像系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。FET跨導(dǎo)放大器往往具有更大的帶寬和輸入電容,這不利于獲得更好的信噪比。為了提高信噪比,往往要在前放之后設(shè)計(jì)濾波網(wǎng)絡(luò)。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,必須在眾多的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器中進(jìn)行噪聲和帶寬的折中選擇。反饋電阻Rf是產(chǎn)生噪聲的主要因素之一,為了降低噪聲,應(yīng)該降低Rf,然而為了獲得足夠的輸出增益,Rf必須足夠大。同時(shí),由于FET跨導(dǎo)運(yùn)算放大器對(duì)ESD非常敏感,對(duì)反饋電阻和反饋電容的精度要求高,使得這種電路的實(shí)際制作難度很大。如果考慮將Rf去掉,則得到

3、以下形式的電路(圖2)。1原理目前,在核醫(yī)學(xué)、核無(wú)損檢測(cè)以及諸如核子秤等工業(yè)核監(jiān)測(cè)儀器中,進(jìn)行的是輻射強(qiáng)度測(cè)量,也就是通過(guò)測(cè)量輻射探測(cè)器的電流輸出來(lái)獲得一定時(shí)間范圍內(nèi)的平均輻射強(qiáng)度,其中的電流信號(hào)是一種低頻信號(hào)。低噪聲的前置放大器是這些儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,這些前置放大器的最普遍的電路形式如圖1。其中A一般采用FET跨導(dǎo)運(yùn)算放大器,如AD515等,前放電路的傳輸函數(shù)是V0=在電路的設(shè)計(jì)中,為了獲得良好的信噪比,IRf。需要采用低噪聲的FET跨導(dǎo)放大器。然而低噪收稿日期:2000211205作者簡(jiǎn)介:鄭健(19732),男,廣西北流人,博士生。圖1前置放大器的普遍的電路形式圖2去掉Rf后的

4、前置放大器這種電路形式的工作原理是:將探測(cè)器的152輸出電流在反饋電容Cf上進(jìn)行積分一定時(shí)間t,得到一個(gè)正比于電流與積分時(shí)間乘積的電壓。電路的傳輸函數(shù)是:V0=It。開(kāi)關(guān)S1、S2控制Cf進(jìn)行保持或進(jìn)行放電復(fù)位,開(kāi)關(guān)S3用來(lái)進(jìn)行多路信號(hào)之間的選擇。由于積分效應(yīng)等效于低通濾波,因此這種形式的放大器無(wú)須后繼的濾波網(wǎng)絡(luò)即可有很好的噪聲性能。如果采用分立元件進(jìn)行這種形式的前放電路設(shè)計(jì),在實(shí)踐上是不可行的,因?yàn)槟M開(kāi)關(guān)S1、S2、S3在狀態(tài)改變時(shí)對(duì)Cf會(huì)產(chǎn)生注入電荷,相對(duì)于探測(cè)器的微弱信號(hào)輸出,這些注入電荷的噪聲是非常大的。但是隨著集成電路的發(fā)展以及電流靈敏前置放大器需求的發(fā)展,世界上一些大型實(shí)驗(yàn)室以及

5、一些大的集成電路供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于這種開(kāi)關(guān)積分器的單片前置放大器(如英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的2),列的特點(diǎn),路中實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路信號(hào)的同步無(wú)死時(shí)間測(cè)量。因此開(kāi)關(guān)積分前放以其易于使用、良好的噪聲性能和高集成度得到了很大的重視。我們?cè)诖笮图b箱檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用這種形式的前放,取得了良好的效果。選擇合適的積分時(shí)間,開(kāi)關(guān)積分器前放也能應(yīng)用于粒子能量的測(cè)量。在阻容反饋前放中,有效利用的粒子數(shù)是兩倍時(shí)間常數(shù)(=RfCf)內(nèi)入射的粒子數(shù),前)。一(2n放輸出電壓的相對(duì)均方漲落v02=1 般來(lái)說(shuō),為一個(gè)像素掃描時(shí)間的幾分之一,造成未能充分利用入射的粒子。在實(shí)際測(cè)量中,一般采用一個(gè)像素范圍內(nèi)進(jìn)行過(guò)采樣,即多次采樣然后

6、將采樣值平均后作為該像素的測(cè)量值,這樣測(cè)量可以減小統(tǒng)計(jì)誤差,但從本文分析可知,這對(duì)減小像素間的測(cè)量相關(guān)卻是不利的。在積分測(cè)量方法中,如果認(rèn)為電荷收集時(shí)間足夠短,對(duì)A、B兩時(shí)刻間的信號(hào)進(jìn)行積分,則有效地利用了AB段間的全部信號(hào),也就是。,一個(gè)像素80ms,的平均質(zhì)量密度。而積分測(cè)量方法中積分時(shí)間是由數(shù)字時(shí)鐘控制的,能保證很好的一致性。這就為在較低的射線(xiàn)下獲得足夠的測(cè)量精度,提供了可能。這是具有很大現(xiàn)實(shí)意義的。2)克服在阻容反饋測(cè)量中由于時(shí)間常數(shù)的存在造成的像素間的測(cè)量相關(guān)。由于阻容反饋式前放中高阻一般是G8量級(jí),而Cf一般是pF量級(jí),取一個(gè)典型值則有=RfCf=10ms的時(shí)間常數(shù),該測(cè)量方法的階

7、躍響應(yīng)(對(duì)于階躍的質(zhì)量密度變化,如果忽略電荷收集時(shí)間,則探測(cè)器的電流信號(hào)輸出也是階躍型)是:v02=Rf1-exp(-t 如果后續(xù)A )。D轉(zhuǎn)換的采樣周期是20ms,對(duì)階躍輸入,第一個(gè)采樣點(diǎn)的值只達(dá)到0.86倍的穩(wěn)定響應(yīng)。這就意味著,每個(gè)采樣點(diǎn)的值是當(dāng)前像素和前一二個(gè)像素的信息的混合反映。這對(duì)于細(xì)節(jié)分辨及空間分辨率將帶來(lái)不利影響。為了獲得一定的增益,Rf的阻值一般選擇G8量級(jí),而且為了降低帶寬以抑制噪聲,的值不能選得過(guò)小,因此要明顯地增大采樣周的值一般是10ms量級(jí)。期,則要明顯地降低掃描速度。因此,阻容反饋式前放限制了測(cè)量速度。在積分測(cè)量方法中,一次測(cè)量完成后,要將積分電容上的電荷全部釋放,

8、因此消除了兩次測(cè)量的相關(guān)性。如果忽略電荷的收集時(shí)間和在一個(gè)像素測(cè)量過(guò)程中物體的移動(dòng),積分測(cè)量的階躍響應(yīng)也是階躍型的,也就是說(shuō),采用積分測(cè)1532開(kāi)關(guān)積分器前置放大器的優(yōu)點(diǎn)在輻射成像領(lǐng)域,采用開(kāi)關(guān)積分器的前放與傳統(tǒng)的阻容反饋前放相比,有以下優(yōu)點(diǎn):1)降低測(cè)量的統(tǒng)計(jì)漲落,有利于降低對(duì)輻射源的強(qiáng)度要求,以及使測(cè)量值真正反映像素范圍內(nèi)的平均質(zhì)量密度。入射到探測(cè)器的輻射粒子數(shù)以及入射粒子產(chǎn)生的電子離子對(duì)數(shù)都是具有統(tǒng)計(jì)漲落的隨機(jī)過(guò)程,這些隨機(jī)過(guò)程就決定了輸出的信號(hào)也是具有漲落的。一般地,探測(cè)器輸出信號(hào)的相對(duì)均方漲落v02與一次測(cè)量中被有效利用的平均入射粒子數(shù)n有以下關(guān)系:v02(1 n)。它表明v02與n

9、成反比關(guān)系。為了獲得足夠小的漲落,必須保證測(cè)量時(shí)有效利用的粒子數(shù),也就是要保證足夠的射線(xiàn)源強(qiáng)度、測(cè)量時(shí)間、探測(cè)效率和充分的利用效率。量方法,每個(gè)像素的采樣值可以很好地反映該像素范圍內(nèi)的平均密度,而不受到相鄰像素的相關(guān)性干擾。3)對(duì)高頻噪聲能起到更好的系統(tǒng)抑制作用,特別是很好地抑制周期性干擾和噪聲,如交流市電造成的50Hz及其倍頻干擾。由于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器具有較大的帶寬,而在輻射強(qiáng)度測(cè)量中,探測(cè)器輸出是近乎直流的低頻信號(hào),因此希望前放對(duì)高頻信號(hào)有很好的抑制。含高阻的電流 電壓變換測(cè)量方法的頻率響應(yīng)是:(1+22),=RfCf H() 2=1 積分測(cè)量方法的頻率響應(yīng)是:()2sin2(T H() 2

10、=4 2),T是積分周期。, 2),抑制,=2kT,k為整數(shù),積分測(cè)量,對(duì)這些頻率的信號(hào)起到了完全的抑制。周期性干擾和噪聲中,如高壓紋波等,很大一部分是由市電干擾造成的,市電的周期是20ms,如果積分測(cè)量的周期選擇為20、40、60ms等,則抑制作用就能達(dá)到。而實(shí)踐中,性能非常好而昂貴的靜電放大器(如AD515),而且要求特定的前放制作工藝。阻容反饋前放常常還需要第二級(jí)的濾波器,在像素的大小降低到幾mm時(shí),前放就要受到較大的器件空間和布線(xiàn)空間的限制。目前采用開(kāi)關(guān)積分器的前放產(chǎn)品中,由于在單片電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)了反饋電容以及相關(guān)的開(kāi)關(guān)控制邏輯,這些產(chǎn)品的輸入端采用了特殊的工藝而具有很好的虛地特性,而且這

11、些產(chǎn)品往往還將多路信號(hào)的測(cè)量在單片電路中實(shí)現(xiàn)(如英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的HX2),因此采用這些產(chǎn)品的前放電路的實(shí)現(xiàn)難度得到了很大的降低。),阻容反Rf,而它們由前放的元件參數(shù)直接決定,所以必須為不同采集參數(shù)的系統(tǒng)制作不同的前放。而在開(kāi)關(guān)積分器前放中,由于其測(cè)量周期由數(shù)字脈沖決定,而且能夠根據(jù)不同的信號(hào)幅度由控制邏輯選用不同的反饋積分電容,因此能夠以完全相同的硬件系統(tǒng)適應(yīng)不同的采集參數(shù)和輻射源強(qiáng)度,這在應(yīng)用實(shí)踐中具有很大的意義。市電頻率的電磁干擾和噪聲是空間電磁干擾和噪聲的最主要部分,也是最難對(duì)付的成分。對(duì)于阻容反饋式前放,在實(shí)際應(yīng)用中為了很好地抑制噪聲,常常在第一級(jí)阻容反饋高阻的前放后增加一級(jí)低

12、通濾波電路。但是這同時(shí)又不利于對(duì)快信號(hào)的反應(yīng),增加了測(cè)量相關(guān)性,以及增加對(duì)器件空間的要求。4)避免具有繁難工藝的前放,減少器件空間,使測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單和更加通用。實(shí)踐表明,采用阻容反饋的前放形式要求3實(shí)現(xiàn)我院的鐵路集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)要求系統(tǒng)的成像陣列能夠具有768路通道的規(guī)模,每2ms完成一列像素的測(cè)量。對(duì)這樣高速的測(cè)量,阻容反饋式的前放顯然是很不適應(yīng)的。一種基于開(kāi)關(guān)積分器前放的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在我們所開(kāi)發(fā)的鐵路集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)中得到了實(shí)際的應(yīng)用,并取得了良好的效果,充分體現(xiàn)了上述的開(kāi)關(guān)積分器前放的優(yōu)點(diǎn)。AnewkindofcurrentpreamplifierZHENGJian,YANGZi2jue,WANGLi2qiang(InstituteofNuclearTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)AbstractInthefieldofdigitalradiography(DR)nowadays,alownoise,digital,highlyintegrateddataacquisition(DAQ)subsystemisveryimportant.Thetradit