多道能譜儀的低噪聲放大器設(shè)計

1、<p>　　多道能譜儀的低噪聲放大器設(shè)計</p><p>　　摘 要：介紹了一種多道能譜儀放大器的低噪聲設(shè)計，其中前置放大器選用超低噪聲、精準型高速運算放大器，并利用OrCAD Pspice仿真工具對電路進行噪聲仿真分析來選擇元器件，獲得了輸入端噪聲電壓為1.53的好性能。主放大器具有放大倍數(shù)線性好、頻率寬度寬、元件少、可靠性高的特點。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：多道能譜儀；

2、低噪聲放大器；噪聲仿真；OrCAD Pspice </p><p>　　中圖分類號： P631. 3 </p><p>　　關(guān)鍵詞：石化企業(yè) 裝備 數(shù)字化 企業(yè)管理 </p><p>　　中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2014）03-0293-02 </p><p><b>　　一、引言 </

3、b></p><p>　　多道能譜儀具有現(xiàn)場直接測量、多種元素快速分析等特點，已經(jīng)成為一種重要的物質(zhì)成分分析儀器而獲得廣泛的應(yīng)用[1～3]。在高精度、高分辨率多道能譜儀硬件設(shè)計中，低噪聲放大器的設(shè)計非常重要，也是難點。多道能譜儀中核探測器的輸出信號一般比較小，為了降低噪聲影響，通常核探測器的輸出信號需要經(jīng)過前置放大和主放大兩個過程[4-5]。 </p><p>　　傳統(tǒng)的前置放大器應(yīng)

4、用電壓靈敏前置放大器較多，但電荷靈敏前置放大器更具有良好的低噪聲性能，輸出信號幅度基本上不受探測器極間電容、放大器開環(huán)增益、輸入電容和電壓增益等參數(shù)穩(wěn)定性的影響，得到廣泛的應(yīng)用，目前高精度、高分辨率能譜儀中前放幾乎都是電荷靈敏前置放大器[6]。 多道能譜儀主放大器最基本的功能是放大前置放大器輸出的脈沖，以提供合適的脈沖幅度給多道脈沖幅度分析器使用。此外，成形電路還要對前放來的信號進行濾波成形，以使主放大器的輸出信號有最佳的信噪比[7～9

5、]。 </p><p><b>　　二、電路結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　1. 低噪聲放大器整體設(shè)計。低噪聲放大器整體設(shè)計如圖1所示，采用兩級放大和一級成形電路構(gòu)成，對于微弱的信號，前置放大器最關(guān)鍵，應(yīng)盡可能采用低噪聲器件，精心設(shè)計PCB，否則引入的噪聲將隨著信號一起進入主放大器被放大。 </p><p>　　主放大器應(yīng)為線性脈沖放大器，

6、對于多道能譜儀，特別強調(diào)線性，所謂線性是指主放大器的輸出信號應(yīng)與輸入信號幅度保持嚴格的線性關(guān)系，同時應(yīng)有足夠的放大倍數(shù)，能將探測器給出的信號放大到足夠的幅度。主放大器同時應(yīng)為脈沖放大器，從頻率特性來看，脈沖放大器絕對是寬帶放大器，脈沖寬度tu愈窄，或信號上升時間tr愈短，則要求放大器的頻帶Δf愈寬。 </p><p>　　2.前置放大器設(shè)計。前置放大器采用電荷靈敏放大器的結(jié)構(gòu)。結(jié)型場效應(yīng)管JFET具有很低的低頻噪

7、聲和散粒噪聲特性，所以選用JFET作為前置放大器的輸入級，選用的型號為3DJ9F。 </p><p>　　為了保證電荷靈敏前置放大器具有較高的信噪比和較快的時間響應(yīng)，采用集成運放構(gòu)成電荷靈敏放大器，選用了凌力爾特公司（Linear Technology）生產(chǎn)的LT1028超低噪聲、精準型高速運算放大器， LT1028的主要技術(shù)指標為：電壓噪聲： 10kHz（最大值）； 1kHz （典型值）；增益帶寬積：50MHz

8、 （最小值）；電壓轉(zhuǎn)換速率：11V/μs （最小值）？；電壓開環(huán)增益：7，000，000 （最小值）；失調(diào)電壓：40μV （最大值）；最大溫度漂移：0.8μV/°C （最大值）；電壓和電流噪聲經(jīng)過了 100% 的測試。前置放大器的電路結(jié)構(gòu)見圖2。 </p><p>　　電路中R8為反饋電阻，C5為反饋電容，R8和C5構(gòu)成的并聯(lián)支路從集成運算放大器LT1028的輸出端引出反饋信號到輸入端，使放大器形成并聯(lián)

9、負反饋電路，Q1是結(jié)型場效應(yīng)管，由它構(gòu)成一個共源放大器，由于R8是級間負反饋電阻，對直流靜態(tài)來說，使整個電路的靜態(tài)工作點得以穩(wěn)定。電路的靜態(tài)工作點通過R5和R6進行調(diào)節(jié)，使Q1的VDS 近似為1.1V，VGS近似為-0.8V。 </p><p>　　3.成形電路的設(shè)計。在多道能譜儀中，前置放大器的輸出信號不僅幅度還小，而且其脈沖尾部很長，這樣的脈沖信號容易造成堆積，使能譜儀不能在高計數(shù)率條件工作，前放輸出的脈沖波

10、形類似指數(shù)衰減信號，峰形頂部很尖，這樣也帶來了彈道虧損，影響能譜儀能量分辨率的提高。通過設(shè)計一個極零相消成形電路，就可以消除脈沖的長尾，減小脈沖堆積。極零相消成形電路是在RC網(wǎng)絡(luò)中添加適當?shù)臉O點，使RC網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)極點和脈沖的零點相消，來改變脈沖的形狀及寬度，并減小噪聲，提高信噪比。 </p><p>　　極零相消成形電路見圖3。 </p><p>　　三、放大器噪聲仿真分析與測試 &l

11、t;/p><p>　　1. 前置放大器噪聲仿真分析。由于是測試低噪聲放大器，實驗室不具備這樣的條件，使用OrCAD Pspice仿真工具對前置放大器電路噪聲進行仿真。前置放大器電路的輸出等效噪聲分析頻譜曲線如圖5所示。 </p><p>　　從圖5可以看出低噪聲前置放大電路的輸出噪聲約為10.3，折合到輸入端的噪聲電壓為1.53。 </p><p>　　2.兩級放大器放

12、大倍數(shù)線性測試及頻率寬度測試。測試采用脈沖信號發(fā)生器和雙蹤示波器，輸出頻率為500kHz的脈沖信號，經(jīng)過微分和積分的整形，且輸入與輸出反向，這樣的信號符合多道脈沖幅度分析分析器要求。 從表1和表2來看，放大器的線性度好，頻帶較寬，可以達到1000kHz。 </p><p><b>　　四、結(jié)論 </b></p><p>　　在前置放大器設(shè)計中，選用LT1028超低噪聲

13、、精準型高速運算放大器，利用OrCAD Pspice仿真工具對其進行噪聲仿真分析來指導電路的元器件選擇，對降低噪聲效果明顯。如能對PCB進行精心的設(shè)計，更能使噪聲大大降低。 </p><p>　　在主放大器設(shè)計中，選用NE5534N高速低噪聲運算放大器，可使主放大器的放大倍數(shù)線性好，頻率寬度寬，同時元件少，可靠性高。 </p><p><b>　　參考文獻 </b>&

14、lt;/p><p>　　[1]關(guān)雪梅等，程控增益線性脈沖放大器的設(shè)計[J].核電子學與探測技術(shù)，2006.5. </p><p>　　[2]蘇弘等，一種低噪聲快電荷靈敏前置放大器的研制[J].核電子學與探測技術(shù)，2003.3. </p><p>　　[3]高篙.基于嵌入式PC/ 104模塊的核譜儀系統(tǒng)的研究[[D].四川：成都理工大學，2004. </p>

15、<p>　　[4]許鵬，弟宇鳴，邱曉林.Y輻射數(shù)字測量與分析技術(shù)研究[J].核電子學與探測技術(shù)，2007，（2）. </p><p>　　[5]舒雙寶，羅家融，方止.便攜式雙通道多道核譜儀中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].核電子學與探測技術(shù)，2007，（1）. </p><p>　　[6]馬國學，干海鵬，梁勇，李詠.高純鍺r譜儀對放射性標準土壤的探測效率刻度[J].原子能科學技術(shù)，2

16、006，（6）. </p><p>　　[7]楊璐，金余恒，陳玉華，陳雁南，張素經(jīng).a屏柵電離室譜儀系統(tǒng)的研制[J].核電子學與探測技術(shù)，2006，（3）. </p><p>　　[8]周建斌，任家富，童運福.一種新型測氡儀-a譜儀的研制[J].核電子學與探測技術(shù)，2005，（6）. </p><p>　　[9]Mitra， S， Wielopolski， L， T