高分辨率能谱测量中的电荷灵敏度前置放大器噪声抑制技术

高分辨率能谱测量中的电荷灵敏度前置放大器噪声抑制技术

预响应矩阵广泛应用于弱信号检测领域。根据同级干扰矩阵总噪声的菲里斯公式，级联增益矩阵总噪声的数量对总噪声的影响是不同的。级越高，级别越大，级别越高。因此前放的作用可以概括为在获得所需电信号(能量、时间)的同时,提高信噪比,实现阻抗转换和匹配。目前用在核探测器和测量系统中的前放主要分为电荷灵敏、电压灵敏和电流灵敏三大类,其中电荷灵敏前放因其输出增益稳定、噪声低和性能良好在高分辨率能谱测量系统中得到了广泛应用。衡量前放的主要性能指标有噪声、灵敏度、分辨率、稳定性、上升时间、动态范围等;其中,噪声是其关键性的指标。下面我们就以电荷灵敏前放为研究对象,从噪声产生的根源着手,分析降噪的关键技术,并结合国内外研究现状阐述这些技术的实际应用。1前压电压的原理和噪声分析1.1器出线时电容c电荷灵敏前放具有良好的低噪声性能,并且其输出信号幅度基本上不受探测器极间电容CD、放大器开环时输入电容CA和电压增益等参数稳定性的影响。如图1所示,探测器输出的电流信号用iD(t)来表示,tW为信号持续时间,考虑到CD、CA、以及连线分布电容CS,则放大器输入端总电容Ci=CD+CS+CA。由于引入反馈电容Cf,这时从放大器输入端来看,加反馈后输入端总电容Cif=Ci+(1+Ao)Cf,Ao为开环增益。当Ao很大时,(1+Ao)Cf≫Ci,主要是Cf起作用,可以认为输入电荷Q=∫0twiD(t)dt都积累在Cf上,输出信号电压幅度近似等于Cf上的电压,即:由于反馈电容可以足够稳定,Ci的影响可以忽略,输出电压幅值VoM有很好的稳定性,因此这种前放常用于高分辨率能谱测量系统。为了释放Cf上不断积累的电荷量,并稳定反馈的直流工作点,常附加一个阻值较大(~109Ω)的反馈电阻Rf(泄放电阻)与Cf并联。1.2等效电流源与举证系统的关系下面以半导体探测器配噪声较小的结型场效应管(JFET)做输入级的电荷灵敏前放所组成的系统来分析噪声。图2所示是探测器-前放的信号和主要噪声源的等效电路。由于场效应管的制作工艺不断改进,栅极感应噪声通常可以忽略。图2各噪声源的表达式如下:,探测器漏电流ID的噪声(q为电子电荷)(2)噪声源按其在电路中的位置分为并联电流噪声源和串联电压噪声源。并联电流噪声源:与信号源iD并联。因放大器输出阻抗通常很小,对于来说,就相当于并联在放大器的输入端,即Rf的电流噪声也可近似看做与信号电流源并联。串联电压噪声源:为等效在输入端的串联电压噪声源。按串联电压源和并联电流源对输出端的贡献来分析,二者具有等效关系。不妨把串联电压等效为并联电流,等效关系式为:C∑=CD+CS+CA+Cf,它是并联在前放输入端的不计及放大作用的总电容,故称为“冷电容”。则的等效电流源为:为了便于分析计算,把噪声源全等效为并联电流噪声源,则输入端总的并联电流噪声:可以将前放的输入端总的并联电流噪声等效为输出的电压噪声,如图3所示。电荷灵敏前放输出电压相当于输入电流的频率响应,又Rf很大,Rf的并联作用可以忽略,其关系式为:将(11)代入(12)式得由(13)式可得,噪声与温度T、场效应管的跨导gm、冷电容C∑、场效应管栅极漏电流Ig、场效应管常数Af、反馈电阻Rf和负载电阻RD、探测器漏电流ID、信号带宽等九项参数有关。在设计前放时,应该从这几方面着手,具体来说就是在满足要求的情况下降低带宽,降低前放的工作温度,降低流过芯片的电流,减小冷电容C∑,降低反馈电阻Rf,而场效应管常数Af、场效应管栅极漏电流Ig、场效应管的跨导gm都是与芯片制作材料和工艺有关的量。此外,工艺的提升必然会减小流过芯片内部的平均直流电流,从而减小场效应管栅极漏电流的噪声。所以,新材料、新工艺是一项综合降噪技术,文中将单独进行分析。另外,信号带宽不可能无限制的降低,而有时为了研究的需要必须设计宽带宽的前放。2降低前放声的关键技术2.1不同温度对热噪声的影响根据(5)、(7)和(13)式可得,降低温度可以有效地降低芯片内部的电阻热噪声和场效应管的沟道热噪声。在电阻和信号带宽不可改变的情况下,可使前放工作于极低温度。为了使效果比较明显,必须使温度大幅度地降低。例如,把电阻浸在液氮中(77K)才能使其热噪声电压有效值降低约一半。此外,降低温度可以有效降低场效应管的沟道热噪声,特别的,在一定低范围内,跨导gm要比常温大一倍左右,从而极大的降低了沟道热噪声;同时,低温使栅极漏电流Ig减小,根据(4)式,栅极的漏电流噪声也就得到改善。2010年,AlbertoPullia等意大利人把基于JFET-CMOS的快速电荷灵敏前放和高纯度锗探测器置于液氮(77K)中,电路如图4所示,电路采用了成熟的5V、0.8μmSiCMOS技术,Si-JFET作为输入级;当CD≈60pF时(1.332MeV60Co),时间常数τ=6μs,能量分辨率为1.6keV,输出信号的上升时间tR<20ns,增益比较稳定,而室温时tR>34ns。低温使得系统的性能有了很大提高。2.2fpga图像集成前放前放内部有大量的PN结,产生的散弹噪声对总的噪声贡献非常大。根据(4)和(13)式,降低场效应管栅极漏电流Ig可以降低其产生的散弹噪声,同时可以大大降低系统的功耗。意大利F.Evangelisti、G.Orsi和G.Ventura三人在1972年就研制出了电源12V、功耗仅为42mW的电荷灵敏前放;其目的是搭载在卫星上,用于空间辐射研究。噪声测试结果为:时间常数τ=5μs时,零电容等效噪声线宽为0.91keV,噪声斜率为0.043keV/pF。事实上,在此之前,功耗为100mW的前放才刚刚问世,在时间常数τ=1μs时,零电容噪声为1.8keV,噪声斜率为0.047keV/pF。降低流过芯片内的平均直流电流可以有效的降低噪声。2009年,EmanueleBottino等意大利人研制了低噪声、低功耗、0.35μmCMOS工艺的集成前放,目的是记录细胞外二乙基溴乙酰胺的位置信号。其功耗仅4.5μW,电源±1.65V,流过的电流仅1.36μA,共模抑制比61.7dB,芯片大小仅0.13mm2。对比不难发现,当芯片内部流过的平均电流降低时,噪声(主要是散弹噪声)明显降低。目前,由于芯片制作水平的不断提高,使得功耗越来越低,噪声也越来越低。2.3单级低噪声前放放大器的最佳源电阻为:这时可以达到的最小噪声系数为式中,eN和iN分别为前放的等效输入电压噪声和等效输入电流噪声的平方根谱密度,等效噪声模型如图5所示。由(15)式可得,在选择器件时,应该尽量选用eNiN小的器件,这样才能达到最小的噪声系数;根据探测器输出电阻RS的大小,要选用合适类型的器件,以使RS≈RSO,以便在直接耦合方式下达到噪声匹配,使电路的噪声系数达到最小值Fmin。2011年,北京大学曹学明等人为核磁共振成像(MRI)研制了一款低噪声的前放,它是用砷化镓场效应管ATF33143制作的单级低噪声前放。如图6所示,电路主要由输入级噪声匹配网络、放大管和输出级增益匹配网络组成。文中,作者提出了一个3元件的噪声匹配网络方案,用以变换50Ω信号源阻抗为FET的最佳源阻抗,以使前放的噪声系数达到最小,并具有可观的增益;在频率为128MHz时,增益G=25dB,噪声系数NF=0.43dB。2.4调整输入电容由(8)、(9)、(10)式,降低冷电容C∑可以降低场效应管沟道热噪声和场效应管的闪烁噪声。又由(13)式知,冷电容C∑对总的噪声贡献非常巨大,甚至要超过其它因素。除了CD、CA外,CS可采用输入级紧靠探测器的办法来减少,Cf则采用合适的反馈电容。若Cf大则噪声大,而Cf过小,反馈深度相应较小,这会使输出稳定性变坏,两者都将使能量分辨率降低,故常选用温度系数小的高压陶瓷电容器作为反馈电容。此外,还要尽量选输入电容CA较小的放大器。例如TI公司的OPA1611,CA=8pF(差模)或2pF(共模);MAXIM的MAX410,CA=4pF,在选择芯片时要根据信号的特点,在已知输入为共模信号时应选择OPA1611。3采用新方法、新材料、新技术正如前面所说,新材料、新工艺是一项综合降噪技术,而新方法则是巧妙运用已有的技术,有时也可以达到非常好的效果。3.1罗戈夫斯基线圈由于超导量子干涉皮伏计(SQUIDpicovoltmeter)具有极低的噪声,尤其是对源阻抗较低的传感器性能更加优越。2002年,ThomasEriksson等人发现了这一特性,创造性的把超导量子干涉皮伏计(SQUIDpicovoltmeter)用于罗戈夫斯基线圈(Rogowskicoil)传感器的前放。噪声电压平方根谱密度eN=110pV/Hz1/2,带宽为250kHz。而法国D.Yvon等11名学者研究电阻式测辐射热仪时,提出了在电流灵敏前放中使用低温-锁定技术,电路使用了冷JFET器件(coldJFETs),事实证明它具有很低的噪声,可以检测到源电阻的约翰逊噪声(1fA/Hz1/2)。2010年,意大利学者AlbertoPullia和FrancescaZocca研制出了自动相消补偿、时间常数可调的电荷灵敏前放,电路原理图如图7所示,电路采用FET做输入级的典型电路,有兴趣的读者可以参考原文献。在CD=0pF,时间常数τ=3μs时,等效噪声线宽为650eV(Ge),等效噪声电荷ENC=94e,动态范围超过86dB,其性能非常适合锗探测器对γ的高分辨率探测。3.2场效应管的设计及结果目前,许多新的半导体材料被用来做研究。实验表明,一些半导体材料有比普通材料更低的噪声,用这些材料做成低噪声器件非常适合。1991年,D.V.Camin等意大利人用砷化镓制作的场效应管设计了电荷灵敏前放,实验中,用砷化镓场效应管SGM20006M代替场效应管3SK164,这克服了原来信号成形时间长,分辨率低等缺点,噪声测试结果为:在探测器电容CD=400pF,输入电阻为22Ω,液氮温度下(77K),时间常数τ=100μs,ENC=5500e,非线性<0.2%。ClaudioArnaboldi等人在2003年尝试了锗化硅双极型晶体管(SiGebipolartransistors)做成的电荷灵敏前放,常温下信号脉冲时间常数达几十ns级,上升时间tR=6ns。3.3超深亚大米cdh的噪声试验研究芯片内部噪声不仅和半导体材料有关,还与具体的制作工艺有关。芯片制作工艺决定了芯片的内部噪声。2005年,清华大学邓智等人采用了0.6μmCMOS工艺完成了低噪声电荷灵敏前放的ASIC的设计和测试,电路面积为260μm×210μm,功耗仅15.9mW,噪声测试结果为:在时间常数τ=1μs时,零电容噪声为1377.1e,斜率为43.7e/pF。2009年,0.18μmCMOS工艺3.1~5.2GHz低噪声放大器研制成功,噪声因数NF<3.1dB。同年,一种高线性GaAspHEMT宽带低噪声放大器研制成功,在0.3GHz~2.2GHz频带内增益高于12dB,噪声系数在1.04~1.43dB之间。2009年,LodovicoRatti等意大利学者在其发表的论文中,更加细致地讨论了超深亚微米CMOS工艺的电荷灵敏前放的噪声模型和电路优化设计;此模型分别应用于90nm和130nmCMOS工艺的电路测试,结果表明:后者的噪声电荷明显要高于前者。文中虽然只讨论了两种尺寸的CMOS工艺技术,但是噪声模型同样可以应用于其他的超深亚微米CMOS工艺。4声放大器性能对比美国ORTEC公司和Canberra公司是研发和生产低噪声前放的主要厂商。ORTECModels142A和Canberra2002C性能如表1所示。低噪声放大器以美国的TI公司和MAXIM公司为代表,取两家公司的低噪声放大器性能对比,如表2所示。由(15)式知,同等条件下,应选择eNiN小的芯片,如OPA211,这样引入的噪声最小,但是往往要综合考虑其他因素而不得不做出其他选择。首先,各大公司都在向着低噪声、高速、高分辨率、宽带宽、高集成度等方向努力,科技的发展使得这些优良性能可以兼得;其次,目前市场上很难找到高端的国产低噪声器件,基本被国外大公司垄断;最后,尽管芯片的噪声性能已经有了一定的水平,但是仍有很大的进步空间。5asic芯片发展趋势本文详细介绍了电荷灵敏前放的原理,分析了主要的噪声源并给出了总的噪声表达式,根据理论推导提