專利名稱：多路抗干擾低噪聲電荷靈敏前置放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電荷靈敏前置放大器，具體涉及一種多路抗干擾低噪聲電荷靈敏前置放大器。
背景技術(shù)：
在科學(xué)實驗和工程測量中，電荷靈敏前置放大器被廣泛用于將各種硅、氣體、液體或固體閃爍體等探測器探測到的輻射粒子(包括電子和其他帶電粒子、宇宙射線、光子等) 信號轉(zhuǎn)化為電子學(xué)脈沖信號，再由后續(xù)信號處理電路進行放大、整形以及數(shù)字化處理。因此，電荷靈敏前置放大器的性能指標(biāo)直接決定了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和測量效率，是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。目前市場上有一些單路電荷靈敏前置放大器產(chǎn)品如ORTEC 142A, 142B, 142C 等，它們從國外進口的價格約為1500美圓。在實際測量中，往往需要大量電荷靈敏前置放大器電路，并要求它們能穩(wěn)定地在如各種科學(xué)實驗和空間飛行器所處的高真空、強電磁干擾環(huán)境中使用。通常，如圖1所示， 放大器單元電路包括探測器上粒子激發(fā)產(chǎn)生的電荷量Q輸入至運算放大器A ；積分電容 Cf;探測器輸入電壓Vi ；輸出電壓Vo與電荷量Q成正比關(guān)系。然而，實踐中發(fā)現(xiàn)，將放大器單元電路集成在一起時，會發(fā)生如下對信號測量造成嚴(yán)重影響的問題1)電路自激振蕩； 2)在加速器空間等強干擾、高噪聲環(huán)境中干擾信號誘發(fā)電路過載和振蕩；幻放大器間強烈的電子學(xué)串?dāng)_；4)噪聲增大，對小信號無法辨認(rèn)力)輸入、輸出電路失配；等等。

發(fā)明內(nèi)容
為有效解決上述工程技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種多路抗干擾低噪聲電荷靈敏前置放大器。本發(fā)明的目的在于提出一種多路抗干擾低噪聲電荷靈敏前置放大器。本發(fā)明的電荷靈敏前置放大器的單元電路包括探測器回路、運算放大器Al以及積分電容C2，探測器產(chǎn)生的信號輸入到運算放大器的正端。為穩(wěn)定電荷靈敏前置放大器的工作點，在運算放大器的負(fù)端連接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路可以由穩(wěn)壓二極管組成，也可以由LED發(fā)光二極管D2和電阻R3組成。根據(jù)實際的芯片工作電壓，穩(wěn)壓電路降低運算放大器的負(fù)端的電壓，使得運算放大器的負(fù)端的電壓低于正端的電壓，從而能夠讓電荷靈敏前置放大器處于正常的工作點。使用LED發(fā)光二級管作為穩(wěn)壓電路，與用穩(wěn)壓二極管比較起來，價格更為便宜。探測器回路由高壓HV、偏壓電阻Rl和探測器Dl組成。探測器產(chǎn)生的信號為高壓、高阻抗信號，若直接輸入到運算放大器，這種高壓、高阻抗信號將直接燒掉運算放大器。因此，在電路中加入高壓電容Cl，探測器產(chǎn)生的信號經(jīng)過高壓電容Cl輸入到晶體管Tl的柵極，Tl放大后的信號直接輸入到運算放大器Al的正端。 高壓電容Cl能夠隔離高壓，既保護了電路又保護了測試人員的安全。晶體管Tl將探測器的高阻抗信號轉(zhuǎn)變成運算放大器可處理的低阻抗信號。
R2作為Tl的偏置電阻連接到Tl的漏極。電容C2作為積分電容并聯(lián)在晶體管Tl的柵極和運算放大器Al的輸出端之間，通過改變C2的值可以改變運算放大器的靈敏度。電阻R4作為放電電阻并聯(lián)在晶體管Tl的柵極和運算放大器Al的輸出端之間，通過改變R4的值可以改變運算放大器的輸出脈沖下降沿時間。η個單元電路制作在一塊電路板上組成電路模塊，并在電路板上安裝8位平撥開關(guān)，以便靈活的選擇η路探測器信號，η為自然數(shù)。若將各個單元模塊直接并行放置在一起，各個單元模塊之間將發(fā)生共振串?dāng)_。將每個電路模塊固定在如鈦合金、不銹鋼、鋁等金屬板上，金屬板將電磁波屏蔽隔離，避免了各電路模塊之間的電子學(xué)串?dāng)_，并同時實現(xiàn)了導(dǎo)熱冷卻。將m個固定在金屬板上的電路模塊安裝在金屬外殼中，組成n*m路放大器，金屬外殼能有效地屏蔽電磁波并保護電路，其中m為自然數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明采用穩(wěn)壓電路穩(wěn)定放大器工作點，并用金屬板將各個電路模塊在空間上隔開，又將電路模塊安裝在金屬外殼中，使各路放大器產(chǎn)生的高頻脈沖信號限制在各自的空間內(nèi)，實現(xiàn)了互相屏蔽、良好接地、導(dǎo)熱冷卻、消除電子學(xué)串?dāng)_以及提高抗干擾能力等。而且，本發(fā)明的放大器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、并且價格便宜。經(jīng)過反復(fù)測試和實際使用，證明新產(chǎn)品具有廣泛的適用性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的電荷靈敏前置放大器的單元電路的示意圖；圖2為本發(fā)明的電荷靈敏前置放大器的單元電路的示意圖；圖3為本發(fā)明的8路放大器中的一路用硅探測器測量MlAm放射源4He射線得到的信號的曲線圖；圖4為本發(fā)明的8路放大器中的一路用硅探測器測量MlAm放射源4He射線得到的信號的實驗?zāi)茏V。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。以8路放大器為例，詳細(xì)說明本發(fā)明的實施。如圖2所示，由高壓HV、偏壓電阻Rl和探測器Dl組成探測器回路。Dl產(chǎn)生的信號經(jīng)過高壓電容Cl輸入到晶體管Tl的柵極。Tl放大后的信號直接輸入到運算放大器Al 的正端。由LED發(fā)光二極管D2和電阻R3組成穩(wěn)壓電路作為Al的負(fù)端輸入。在發(fā)光二級管D2的表面涂覆油漆，可將D2的光線有效屏蔽。電容C2和電阻R4分別為積分電容和放電電阻。通過改變C2和R4的值可以分別改變運算放大器的靈敏度和輸出脈沖下降沿時間。 R2作為Tl的偏置電阻連接到Tl的漏極。Vcc和-Vcc分別為運算放大器Al的正電源和負(fù)電源。在本實施例中，Al為 0P07，MAX4106，AD828，AD827 等運算放大器，Cl 為 lnF_20nf， C2 為 0. 5pF-5pF, Rl 為 100M-200M，R3 為 4. 7K, R4 為 47M-500M。
將兩個這樣的單元電路制備在一塊印刷電路板上組成電路模塊。每個探測器的靈敏面分成16條或32條、64條、甚至128條平行的小探測器，對于這種硅微條探測器的探測器連接端子的排列位置一般是固定的，而一般電荷靈敏放大器的輸出信號與后續(xù)電路的連接比較自由。為解決上述探測器連接端信號固定排列、放大器信號輸出端可以靈活連接的問題，在每個2路電荷靈敏前置放大器電路板上安裝8位平撥開關(guān)，以便靈活地選擇2路探測器信號。每個電路模塊安裝在一塊與其有同樣尺寸的3mm厚的鋁板上。4個安裝在鋁板上的電路模塊與具有相同尺寸的電源及信號輸入/輸出接口板， 以2. 6cm間距安裝在一塊厚5mm、長19. 9cm、寬7. 4cm的鋁板上，組成8路放大器。用一塊長12. km、寬3. 2cm的印刷電路板將電源從電源/信號接口板連接到各個放大電路模塊。 用一塊長12. km、寬5. 9cm的印刷電路板將輸入/輸出信號從電源/信號接口板連接到各個放大電路模塊。圖3為8路放大器中的一路用硅探測器測量MlAm放射源4He射線得到的信號， 圖4是其實驗?zāi)茏V。從這些實驗結(jié)果來看，本實施例的放大器的噪聲為5mV，靈敏度為35mV/ MeV，能量半高寬ΔΕ/能量E即能量分辨率為0. 3沈％。因此，本發(fā)明的放大器具有噪聲小、 靈敏度高、能量分辨率高、抗干擾能力強等特點，可以大量應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實驗。上面描述的實施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種電荷靈敏前置放大器，其特征在于，所述電荷靈敏前置放大器的單元電路包括探測器回路、運算放大器Al以及積分電容C2，探測器產(chǎn)生的信號輸入到運算放大器的正端，在所述運算放大器的負(fù)端連接穩(wěn)壓電路。
2.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，所述穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二級管組成。
3.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，所述穩(wěn)壓電路由LED發(fā)光二極管D2和電阻R3組成。
4.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，所述探測器回路由高壓HV、 偏壓電阻Rl和探測器Dl組成。
5.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，在所述單元電路中加入高壓電容Cl，探測器產(chǎn)生的信號經(jīng)過高壓電容Cl輸入到晶體管Tl的柵極，Tl放大后的信號直接輸入到運算放大器Al的正端。
6.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，電阻R4作為放電電阻并聯(lián)在晶體管Tl的柵極和運算放大器Al的輸出端之間。
7.如權(quán)利要求1所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，η個單元電路制作在一塊電路板上組成電路模塊，其中，η為自然數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，在所述電路板上安裝8位平撥開關(guān)，從而選擇η路探測器信號，其中，η為自然數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，將每個電路模塊固定在鈦合金、不銹鋼、鋁等金屬板上。
10.如權(quán)利要求9所述的電荷靈敏前置放大器，其特征在于，將m個固定在金屬板上的電路模塊安裝在金屬外殼中，組成n*m路放大器，其中η和m為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多路抗干擾低噪聲電荷靈敏前置放大器。本發(fā)明采用穩(wěn)壓電路穩(wěn)定放大器的工作點，并用金屬板將各個電路模塊在空間上隔開，又將電路模塊安裝在金屬外殼中，使各路放大器產(chǎn)生的高頻脈沖信號限制在各自的空間內(nèi)，實現(xiàn)了互相屏蔽、良好接地、導(dǎo)熱冷卻、消除電子學(xué)串?dāng)_以及提高抗干擾能力等。而且，本發(fā)明的放大器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、并且價格便宜。經(jīng)過反復(fù)測試和實際使用，證明新產(chǎn)品具有廣泛的適用性。
文檔編號H03F3/70GK102420577SQ201110385330
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者葛愉成 申請人:北京大學(xué)