CR-110电荷灵敏前置放大器

1、CR-110 电荷灵敏前置放大器Cremat公司的CR-110是一个单通道电荷灵敏前置放大器模块，它被广泛用于多种辐射探测器。例如：半导体探测器，雪崩光电二极管和各种气体探测器。在Cremat公司的众多前置放大器模块中，CR-110的体积是挺小巧的（模块面积小于一平方英寸）， 这样就允许用模块化的设计制作一个紧凑型多通道探测系统。本课题是以CR-110电荷灵敏前置放大器模块为核心，制作一个能够正常使用的电荷灵敏前置大器。制作过程包括电路板设计，铝盒加工，线路连接和波形调试。 此课题虽然没有很大的难度。但是整个过程非常偏重于实践，比如铝盒加工打孔， 线路焊接等操作都很考验实验者的动手能力。制作过

2、程中，也能自然而然了解到电路板的设计，测试板各个连线的作用。非常有助于我们了解电荷灵敏前置放大器的工作原理。再结合以前学的课本上的知识，更能温故知新。我们作核辐射测量时，一般采用电子学方法，应该对探测器输出的信号进行处理，包括对获取的信号进行放大，成形，甄别，变换分析，记录等等。因探测器输出信号小，一般都要先通过放大器放大才能测量。所以信号放大是核电子学信号处理一个必要部分。实际测量中，探测器附近必然有一定辐射剂量。工作人员测量时必须远离辐射现场。 我们一般把放大器分成前置放大器和主放大器，这样做是为了减少放大器输入端和探测器输出端之间的分布电容的影响，也可以弱化外界干扰，有效的提高信噪比，使

3、信号用的高频电缆的阻抗相应匹配，。前置放大器也称作为预放大器，体积小，靠近探测器，其输入端与探测器输出配合，有些前放甚至和探测器组成一个模块，我们称之为“探头”，输出的信号再经高频电缆和主放大器连接。 前置放大器参数很少在测量过程中变动，一般由主放大器作放大倍数和成型时间常数的调节。1第二章前置放大器2.1前置放大器的作用和特点前置放大器的作用和特点可以从下面几个方面说明：(1)提高系统信噪比核辐射探测器一般贴近辐射源.所以探测器往往在强辐射场，狭小空间，恶 劣环境或工作人员不宜在现场，也不适合用大体积的仪器。如果把探测器的输出 信号直接远距离传输到测量室，如图 2-1 o那么传输线越长，分布

4、电容 Cs就会 越大，信噪比也越小，噪声甚至会掩盖信号。直接把放大器紧靠探测器是不可能 的，所以把放大器分成前置放大器和主放大器两部分， 前置放大器的体积小，紧 挨着探测器共同构成探头，使分布电容 Cs也尽量减小，以提高信噪比，经过屏 蔽电缆相对远距离传输到主放大器。另外，探头体积小便于屏蔽，密封，加固，图2-2分成前置放大器和主放大器的系统(2)减少外界干扰相对影响我们所处的空间存在电磁干扰，或者屏蔽和隔离不到位，信号远距离传输时，常有外界干扰，应设法提高信号干扰比。比较图 2-1 和图 2-2 两种结构和连接方式，前一种为探测器信号直接输出，由于输出信号小，外界干扰造成的影响相对就打，但后

5、一种连接方式通过前置放大器已经初步放大，提高了信号幅度和远距离传输能力，外界干扰就相对减少了。为更有效抑制外界干扰，相连接的前置放大器和探测器，一般采用良好的屏蔽，接地，隔离，滤波等方法。微弱信号传输时，还应该用屏蔽良好，噪声小的电缆线。在主放大器用差分输入时，应采用低噪声双芯屏蔽电缆。（ 3）合理布局，方便调节和使用为了减小体积，紧贴放射源的前置放大器一般要求有一定的放大倍数，工作未定，并且是非调节式的。成型时间常数和放大倍数都交还给主放大器来完成，测量室内放置主放大器，这样实验人员就可以很便捷的完成测量读数。（ 4）操控阻抗转换和匹配前置放大器就可以成为为一个阻抗转换器，连接在探测器和主放

6、大器之间，探测器一般要求后级高输入阻抗有利于信号输出，前置放大器通过屏蔽电缆传输给主放大器信号时，要能与电缆阻抗匹配的低输出阻抗及传递信号。这种阻抗转变的特性可以通过电路设计在前置放大器中实现。2.2 前置放大器的分类前置放大器按照不同的方法可以分为不同的几类：不同的前置放大器与不同的探测器相连接，可分为电离室前置放大电路，正比计数器前置放大器，半导体前置放大器和闪烁体探测器前置放大电路等。而我们通常所研究的电荷灵敏前置放大器，电压灵敏前置放大器和电流灵敏前置放大器这三大类则是根据探测器输出信号的成形方式特点进行分类的。由于本课题主要研究电荷灵敏前置放大器，所以其他两种类型的放大器就不一一介绍

7、。第三章电荷灵敏前置放大器3.1 电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器即带有电容负反馈的电流积分器，如图 3-1所示，由于 引入积分电容弓，从放大器输入端看，加反馈电容后，输入端总电容 q = q + (1 + A/Cf, %位开环增益，ct为不考虑反馈电容片时的输入电容。所 以。很大时，(l + AJC/AG。起了主要作用，故认为输入电荷 Q全在0上 累计，输出信号的电压幅度近似为 0上的电压，即：%叫承。软如击,2-1反馈电容可以很稳定，所以输入电容 q的影响可以忽略不计，输出电压 火的 幅度也有很好的稳定性。因此此类电荷灵敏前置放大器一般用于高能量分辨率的 能谱仪系统。为释放q不断积累电

8、荷量，稳定反馈的直流工作点，应该采取一些措施，例 如，附加一个大阻值的反馈电阻 当和并联，一般称作泄放电阻。图3-1电荷灵敏前置放大器电路图173.2 CR-110模块规格0.88"0.17"图3-2 CR-110模块外观（单位：英寸）如图3-2所示，CR-110集成电路是通过一个8针的单列直插式针脚连接的 （间隔为0.1英寸）。芯片的针脚为0.020英寸宽。针月却1以一个白色的点标记方 便识别。j-2,4P7(GND)图3-2 CR-110 等效电路图图3-2是CR-110芯片的简化等效电路图。从电路图中，我们可以很明显看 到CR-110芯片有两个单级放大器。第一级是一个

9、高增益放大级，第二级是一个 低增益级。同时，第二放大级和一个着重于提供足够输出的电路去驱动终止同轴 电缆。CR-110的每个针脚相应的标号都已经明确指出。 %（100MQ）和弓（1.4pF） 分别是反馈电阻和反馈电容。CR-110可以用在直流耦合（DC）或者交流耦合（AC）模式。如果探测器 电流超过10nA,在前置放大器输出的时候，一般习惯用用交流耦合模式去预防 产生直流耦合补偿。前置放大器输出电压以 。./人1的速率输出时，低频探测器 . j ildrl电流会提供一个补偿。使用交流耦合模式也有助于提升前置放大器的计数率性3.3 CR-110的输出波形电荷灵敏前置放大器被用来探测一系列的脉冲，

10、会导致电流短流入或前置放 大器输入暂的爆发。根据探测器的类型，这种电流爆发可能非常短暂（<ns）或者几微秒。一个理想的探测脉冲电流应该是一个 6函数，理想的探测到电荷是 一个阶梯函数。实际的电荷灵敏前置放大器的输出波形存在一个非零上升时间，CR-110的上升时间大约是7ns。此外输入电容也会使上升时间增加，增加速率约为0.4 ns /pF。输出信号上升时间也会受探测器的速度限制。例如，从CsI（Tl）闪烁体探测器出来的电流脉冲有一个持续时间， 大约是2微秒。所以电荷灵敏前置放大器实 际上升时间会比预期的要长些。图3-3 输入波形图图3-4输出波形图我们可以用快速方波发生器输出一个如图3-

11、3所示的方波。在长时间域，输出衰减是由于反馈电容通过反馈电阻放电造成的，RC常数为140Q衰减输出波形如图3-4所示。3.4 CR-110性能分析(1) 等效噪声电荷(ENC ):探测器的输入电流脉冲i(t)可用冲击函数Q6国近似，电荷量Q正比于入射粒 子能量E。如果前放系统的冲击响应为h化)，最大值输出电压幅度为%输出电 压幅度%期=。五就，输出噪声均方根值为则前放系统输出信噪比为：2-2将输出噪声电压均方根2-3ENC = = Q =肉才 炉。时 用前置放大器系统的噪声常常用等效噪声电荷来表示。 值折合为输入电荷量即为等效噪声电荷：CR-110的ENC为180 RMS电子(典型值)。(2)

12、 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。CR-110的等效噪声电荷斜率为：3.1 RMS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“im,则称V./q为变换增益(或称电荷灵敏度)：Ag =7叫q。当A臼*0 + Q)时:2-4CR-110中=L4pF,输出级增益为2,则：人8需 %41t 2随L4 (V/pC)(4)上升时间():.定义为前置放大器输入冲击电流Q5S时，输出电压幅度从10%上升到稳 态值的90%所经历的时间。实际计算上升时间，采用式2-5:二 二 一2-5其中7是探测器电

13、容(pF)。(5)衰减时间常数： =-9三140四T。本文使用的衰减时间常数略大，因此系统计数率不宜过高。实际测量时，每 秒脉冲数超过1500时会产生堆积现象。(6)输入阻抗(氏内)：如果一个系统只需要用来测量粒子的能量，那么我们只希望和稳态值与Q 成正比关系、R*.远小于系统中所用滤波器的时间常数，而对于输入阻抗我们没 有特殊要求。本文中前置放大器和探测器紧紧挨着，信号不需要通过电缆传送， 也不用要求前置放大器是否有适合的输入阻抗匹配。为了减少噪声，采用高输入阻抗(本文输入阻抗为。量级)。 输出阻抗(RQ： R口 =500。(8)输入电源电压：力2V。(9)功耗：100mW第四章测试板电路设

14、计4.1 测试板电路图此测试板将有助于实验者使用和评估 Cremat公司的CR-110电荷灵敏放大器 模块。这块测试板有一个8针的插槽用来插入前置放大器以及电源连接器， 一个 电源管理电路和其他需要过滤检测器偏压组件。测试板电路示意图如下所示。测试板在探测器和前置放大器的输入之间使用 交流耦合。a:-1W旧g 5UPP" 飙口deleclorCremat CSP1口 之心？彳CR-150 schematic diagiram:MMET3KH图4-1 测试板电路设计图这块测试版的交流耦合电路是使用一个偏压电阻通过偏置再提供给探测器。一个压降在电阻上形成是由于有电流穿过它（与探测器电流相

15、同）。如果穿过偏压电阻的压降太小（少于100 mV）,则偏压电阻的电子噪声（热噪声）在探测电 路中就开始显得非常重要。另一方面，如果穿过偏置电阻的压降太大，通过探测器的电压要注意应该小于我们所需要的偏置电压。这些都非常重要，因为偏压提供的滤波电阻，偏置电阻还有探测器都是串联的；压降的形成是电阻和探测器的 电压差值。值得注意的是，大多数电压表不能精确测量非常大的电阻的电压降。 所以，测量压降最好的方法还是用已知的信息计算得到，如用探测器的近似电流计算。测试板自带10MQ偏压滤波电阻和200MQ的偏压电阻（从电路图中可明显看出是两个100MQ电阻串联而成）。无论探测器电流有多小，它都不可能使阻抗增

16、加而超过限定值。然而，如果探测器电流被预设为超过10nA,你就需要考虑分流到偏压电阻，偏压滤波电阻也可能会降低阻抗以防止他们变成你应用程序 中的信号。测试版上R1, R2, R3标记位置上的电阻故意被留空。这些标记位置 的电阻打算留给使用者选择，这样可以根据实际情况分流200MQ的偏压电阻（用 R3）和两个10M Q偏压滤波电阻（用R1和R2）。使用者应该用分流电阻去产生 压降，压降约为0.5V每个电阻。例如，我们测试一个泄露电流为100mA的雪崩光电二极管（APD）。理论上 我们要提供给200M Q偏压电阻的压降为20V,还要另外给两个10MQ偏压滤波 电阻每个1V的压降。但这样做是不合适的

17、，因为雪崩光电二极管的增益非常依 赖于偏置电压，而真实的雪崩光电二极管偏压小于我们要用的电阻上的电压。为了改善这样的状况，使用者应该把 R3标记位置接上5MQ以分压0.5V, R1, R2 和R3可以用一样的阻值，这样就电阻上的总电压就有1.5V。下表4-1是根据实际情况，给R1, R2, R3相应的参考值。表4-1 电阻参考值泄漏电流R1R2R30 至U 10nA留空留空留空10nA 到 30nA留空留空22M30nA 到 100nA留空留空10M100nA 到 300nA3.3M3.3M3.3M300nA到1隐1M1M1M1 g 到 3 g330K330K330K3g 到 10MA100K

18、100K100K10 MA到30火33K33K33K4.2 测试板电压规格测试板的电压调节电路给芯片提供了一个非常稳定的电压 二6.8V。使用者只 需要给测试板提供二8V到二12V即可。另外，本测试板可以和电压为 2000V的探测器一起使用。无论怎样，需要 注意的是BNC同轴连接器的额定电压是 500V,实际使用中不能超过其额定电 压。如果要使用超过500V的偏压，建议使用SHV型连接器高电压同轴连接器 代替BNC同轴连接器同时提供给“偏压输入”和“探测器输入”。不幸的是， SHV同轴连接器不能用于PC底座的版本，所以我们建议用嵌入底座版本。下图4-2和图4-3是已经设计好的PCB测试板。关于

19、PCB版的设计，可以 根据上图4-1利用相关软件制作。在此不过多叙述，当然，此板不是我所设计的。图4-2 PCB板和CR-110芯片模块图4-3 PCB测试板第五章制作与调试5.1屏蔽铝盒的制作对于一个电荷灵敏前置放大器而言，通常都是处理探测器输出的比较微弱的 信号。如果让它工作在一个毫无屏蔽的环境中。由于自然环境或者实验室环境总是存在各种各样的噪声干扰，很容易把我们需要的信号淹没。这样我们的最终探 测到的信号不明显甚至最终无法分辨。于是，我们就需要制作一个屏蔽盒子来装 整个测试板。本课题以铝板为材料制作一个铝盒。首先我们根据实际情况计算需要的尺寸(24cm*15cm*9cm)。整个铝盒的设

20、计与打孔如下图5-1所示。24cm*15cm的底面打四个孔，孔直径大小约为 4mm,用来装固定螺丝。15cm*9cm的侧面打一个大约是2cm*1cm的方孔，用来放置 电源接口。24cm*9cm的侧面一共打10个直径约为9mm的圆孔，上下排分别作 探测器输入和测试输入。我拿到手的盒子已经完成了切割， 组成了盒子，所以我 的主要工作是完成打孔操作。O O O O O 3三工.，O o D o O皿15 :m*o9cm图5-1铝板制盒示意图在实际打孔操作中，应该注意以下几点：(1)打孔时，铝盒一定要固定。否则，不但是打孔变得困难，而且容易发生危险。(2)在打比较大的孔时，比如9mm的孔，不要直接用9

21、mm的钻头，应该 先钻小孔，再一点点逐渐扩大。直接用大钻头非常不好操作。(3)由于铝板比较软，打孔操作通常会使铝盒发生较大的形变。所以打完 孔要用铁锤适当砸平。孔的边缘也比较粗糙，我们先用粗锤子锂平孔 边缘，再用细锤子是边缘变得光滑。(4)打矩形的电源孔由于没有矩形的切割机。所以应打多个孔从而切出矩 形的形状，再用锤子磨平。在第一次打电源孔时，由于经验不足，导 致打的孔过大。装不上电源的插头，只能重新打一个。(5) 24cm*15cm底面的四颗个顶螺丝，应该用盒内固定板贴着铝板打。因 为我们没有精密操作的仪器，都是用手钻操作，只能紧贴以保证孔位 置的精度。打孔过程中，对于我这样的新手，较容易打

22、出不能用的孔。对于一个屏蔽壳 而言，缺口会导致屏蔽效果变差。所以我们应该用铝箔封起来。5.2电路焊接屏蔽铝盒本打算做五通道的电荷灵敏前置放大器，但经过测试，有三个板子给CR-110的供电不合格。所以就先焊接一个板子做测试。电源插口部分的焊接非常重要，如果焊不好易导致短路等问题。 首先，我们 要准确找到所需要的二12V电压的针脚位置。电源接口的示意图如下图 5-2:543219876图5-2 电源接口示意图实际测量显示，4针为+12V, 9针为-12V, 2针为地线，6针为-24V, 7针 为24V。我们需要的是二12V的电压和地线。只需要把 4针，9针，2针锡焊上 测试板的相应位置即可。焊接的时候要细心，因为针脚都比较靠近，注意不要短 路了。锡焊好后要加上松香，这样可以极大程度增加电路安全性。由于本次锡焊主要是做测试，所以参考上图4-3,只要冉锡焊上测试输入和输 出两条线