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一种单电源电荷灵敏放大器的设计

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一种新型电荷放大器的设计方法与电路

一种新型电荷放大器的设计方法与电路

源 ,其输出电流 i ( t) ,在其电荷收集时间较短时可 以看作是一种持续时间极短的电流冲击脉冲 , 如 果在 t～t +Δτ时间内收集的总电荷量为 Q , 则单 个电流冲击脉冲可以由 (2) 式表示
i ( t)
=
lim
Δτ→0
Q
Δτ
(2)
式中 , Q 为传感器输出端收集到的总电荷 , 它与被
测量成正比 。在实际实验测量当中 , 电流 i ( t) 在
积分电路模拟开关控制电路 ,分别由积分控 制开关控制电路和电荷泄放开关控制电路组成 。 其时序逻辑如图 6 所示 :
图 5 积分电路原理图
这是一个采用运算放大器构成的积分电路 , 其输出电压为 :
∫ V 0 = -
1 C
Iin d t
(4)
在积分电路的输入端接入一个模拟开关作为
电流积分控制开关 ,在积分电容 C 上并接一个模 拟开关作为电荷泄放开关 。
收稿日期 :2006210210
作者简介 :李 勇 (1975 - ) ,男 ,安徽淮南人 ,合肥工业大学博士生.
' 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
Abstract :A novel charge amplifier is designed and it s circuit is described. The circuit mainly co nsist s of a current2current co nverter , an integral circuit , an analo g switch circuit ,and a steady current so urce circuit . The general p urpo se integrated circuit s , t he operatio nal amplifier ,and t he analog switch are a2 dopted to co nst ruct t he charge amplifier circuit . The circuit is characterized by it s high speed of co n2 versio n , wide range of inp ut (abo ut 400 p C) and simple circuit co nfiguratio n. The int roduced met ho d and circuit shows a simple and low2co st way to design and develop multi2channel charge amplifier s. The charge amplifier circuit can be widely used in sensing devices. Key words :charge amplifier ; current2current co nverter ; integral circuit

运放单电源放大电路设计方法_刘立钧

运放单电源放大电路设计方法_刘立钧

虑以下几个参数：
开环增益 Ao 在给定的运算精度如 0.1%条件下
应满足1/(AO ⋅ F) ≤0.1%，其中 F 为反馈系数，如图
1、图 2 所示电路 F
=
R1 R1 + R f
。若闭环增益 A f 近
似 100，即 R f R1
= 100 ，则 AO >105。
带宽 BW 对小信号而言，运放闭环带宽与闭环
为 20kHz。
f L1
=
1 2πR1C1
fL2
=
1 2πRLC2
fL3
=
2πR2
1 //
R3C3
Vin C1 R1 1kΩ +
+Vcc R2 100kΩ +
C3
Rf 50kΩ +Vcc
－∞
+ +
uA741
100kΩ R3
C2 +
Vout RL
图 1 反相输入放大器
高速运放一般采用电流反馈式，为了不使大阻
运放输出端直流电位接近 Vcc 或 0，而这种情况下
运放内部晶体管已进入饱和或截止区从而对输出
电压箝位。一般来说输出交流电压幅值应控制在小
于（Vcc/2-1.5V），否则会产生削峰失真。若要扩大
输出电压峰值可采用轨对轨运放。在直流放大器中
运放输出端的静态电压误差可用
∆VO
=
(1 +
Rf R1
)VOS
3 单电源供电运放电路
3.1 反相交流放大器 为使电路能对交流信号放大而不失真，单电源
供电的运放两输入端和输出端静态电压不能为 0， 必须大于输出交流信号幅值，一般取电源电压 Vcc 值的一半。图 1 中 R2R3 为静态偏置电阻，这样运 放的输入输出端的静态电压 Vcc2。为减小由于输入 偏流产生的失调误差应使 Rf =R2//R3，一般来说 R2、 R3 的阻值在 Vcc 为 12V~15V 时取 100kΩ；Vcc 为 5V

实验二电荷灵敏放大器

实验二电荷灵敏放大器

实验⼆电荷灵敏放⼤器实验⼆电荷灵敏放⼤器⼀、实验⽬的1、进⼀步掌握电荷灵敏放⼤器的电路结构的特点和⼯作原理。

2、学习电荷灵敏放⼤器性能指标的测试⽅法。

3、掌握电荷灵敏放⼤器的特点和⽤途。

⼆、实验内容1、静态⼯作点测试；2、上升时间测量；3、电荷灵敏度测量；4、⾮线性测量；5、噪声特性测量。

三、实验原理当给半导体探测器加上反偏压后，如果有射线照射，则在探测器的灵敏区内产⽣电⼦-空⽳对，其数⽬与射线粒⼦在灵敏区内损失的能量E 成正⽐。

这些电⼦-空⽳对被探测器结电容d C 收集，形成电压脉冲，其幅度为：dC Q U =，这⾥Q是收集到的电荷量。

图2-1 电荷灵敏放⼤器原理图由于半导体探测器的结电容d C 随外界温度和外界偏压⽽改变，使得输出信号的幅度不稳定，给能谱测量带来很⼤困难。

为解决此问题，需要使⽤电荷灵敏放⼤器。

电荷灵敏放⼤器原理如图2-1所⽰。

其中d C 是半导体探测器的结电容，r C 是放⼤器的输⼊电容和分布电容之和。

f C 为反馈电容。

如将反馈回路的电容等效到输⼊端，则输⼊端的总电容为()fr d CA C C 01+++。

当半导体探测器输出电荷Q 时，在放⼤器输⼊端形成的信号电压为()fr d sr CA C C QU 01+++=如果满⾜条件10>>A ，()r d f C C C A +>>+01，则 fsr CA Q U 0≈放⼤器的输出信号幅度为 fsr sc CQ U A U -=?-=0由此可见，只要满⾜上述条件，电荷灵敏放⼤器的输出信号幅度就仅与探测器输出的电荷Q 成正⽐，⽽与探测器的结电容d C 和放⼤器的输⼊电容r C ⽆关。

输⼊单位电荷所产⽣的输出电压值为fsc CU 1-=fC1-称为电荷灵敏度。

由式可见，要提⾼电荷灵敏度，应选择较⼩的f C 值。

本实验所⽤FH1047A 电荷灵敏放⼤器，其电路原理如图2-2。

其中，1T 采⽤结型场效应管3DJ7G ，它具有极⼩的栅流，很⾼的输⼊电阻，很⼩的输⼊电容，这是获得低的噪声所必需的。

一种单电源电荷灵敏放大器的设计

一种单电源电荷灵敏放大器的设计
通电压时,信号 被 二 级 管 钳 位。R2、R3 是 场 效 应管3DJ7I的偏 置 电 阻,其 电 阻 值 根 据 场 效 应 管 的 转 移 特 性 曲 线 确 定 ,首 先 确 定 漏 源 电 流 ,在 假定 虚 地 电 压 值 后,可 确 定 R4、R5、R3 电 阻
631
值 ,由 于 栅 极 无 电 流 产 生 ,其 直 流 电 压 等 于 运 放 6脚输出电 压,而 场 效 应 管 的 源 极 电 压 被 设 计 小 于 栅 极 电 压 ,使 栅 源 电 压 为 负 ,从 而 保 证 场 效 应管正常工 作。 另 外 为 保 证 运 放 正 常 工 作,漏 极电压设计等于运放虚地电压。
7 结束语
本文介绍的单电源电荷灵敏放大器已应用 在 半 导 体 个 人 剂 量 仪 中 ,经 长 期 使 用 ,电 路 性 能 稳定。单电源的电荷灵敏放大器为仪器便携、 低功耗、电池 供 电 设 计 提 供 了 基 础。 电 路 在 实 际 使 用 中 ,在 噪 声 、电 磁 兼 容 等 性 能 方 面 还 有 待 提高。
能 量 成 正 比,并 消 除 了 探 测 器 结 电 容 和 分 布 电 容的影响。采用集成运算放大器设计的电荷灵 敏 放 大 器,为 降 低 噪 声 一 般 在 放 大 器 加 一 级 结 型 场 效 应 管 输 入 级,再 根 据 实 际 电 路 要 求 选 择 合适的集成运算放大器。
1 电路原理
5 电路性能
电路主要 性 能 测 试 结 果,电 荷 灵 敏 度 ACQ =2×1012V/C;上 升 时 间 小 于 50ns;最 高 计 数 率 大 于 500kHz;
噪声电压小于2mV;信 噪 比 5 倍(241Am); 工作电流小于1mA;工作电压:在 2.7～5.5V; 在 0～50℃ 之 间 平 均 温 度 系 数 为 0.08%/℃ 。

一种灵敏放大器[发明专利]

一种灵敏放大器[发明专利]

专利名称：一种灵敏放大器
专利类型：发明专利
发明人：刘鑫,赵发展,刘梦新,韩郑生申请号：CN201310512210.4
申请日：20131025
公开号：CN103559903A
公开日：
20140205
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于集成电路技术领域，公开了一种灵敏放大器，包括：传输门电路、钳位放大电路以及预充电电路；所述传输门电路连接在所述钳位放大电路的输入端与所述输入信号之间；所述预充电电路连接在所述电源与所述钳位放大电路输出端之间，对读出信号进行预充电。

本发明通过在输入端设置传输门电路，在输出端设置预充电电路提升放大器的抗干扰能力，提高位线的负载驱动力，同时提升电路读写速度。

申请人：中国科学院微电子研究所
地址：100029 北京市朝阳区北土城西路3号
国籍：CN
代理机构：北京华沛德权律师事务所
代理人：刘杰
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CR-110电荷灵敏前置放大器

CR-110电荷灵敏前置放大器

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。

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。

电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计

电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计肖海军;张流强;肖沙里;李先仓;黄振华【摘要】在高灵敏度光电探测领域,常常采用雪崩二极管(APD)等高增益探测器,这些探测器通常需要上百伏的工作电压,因此电源噪声对探测器的性能影响很大.针对单光子探测的需要,论文提出了一种电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计,通过采用匹配的差分输入,可以有效抵消电源的共模噪声.论文首先对APD探测器在不同偏压下的结电容进行测试,然后采用可调电容对APD电容进行匹配,用MultiSim 对提出的电路进行了仿真分析,最后制作实验电路进行了测试和验证.结果表明:差分输入电荷灵敏前置放大器能够有效消除电源噪声(包括低频噪声和高频噪声),实现高灵敏度的光探测.%High gain photon detectors such as avalanche photo diode (APD) are widely used for high-sensitivity photon detection. However,the high voltage applied to these detectors often makes serious noise. In order to perform high-sensitive photon detection,an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed,which can reduce the power-supply noise by differential amplification. Firstly,the junction capacitance of APD is tested under various bias voltages. Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed with Multisim software. Finally the fabricated circuit is tested. It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differential input can significantly reduce the power-supply noise (both low frequency and high frequency) and realize high sensitivity.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】5页(P190-194)【关键词】电荷灵敏前置放大器;APD;差分放大;Multisim仿真;电源噪声【作者】肖海军;张流强;肖沙里;李先仓;黄振华【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TN291 引言高灵敏度光探测器在成像、光谱和光通讯领域有着广泛的应用，随着应用需求的发展，高速和高灵敏度光探测器越来也受到业界的重视，其最新发展就是以单光子探测为标志的新型光探测技术。

电荷灵敏放大器课件

增益
电荷灵敏放大器的增益是指输出信号与输入信号的比值。增益越大，对输入信号 的放大效果越好。
噪声与失真
噪声
电荷灵敏放大器的噪声是指输出信号中的随机波动，主要由 内部电路的热噪声和外部环境的干扰引起。噪声越低，电荷 灵敏放大器的性能越好。
失真
电荷灵敏放大器的失真是指输出信号与输入信号在波形上的 差异。失真越小，电荷灵敏放大器的性能越好。
电图等生理信号的检测。
2023
PART 02
电荷灵敏放大器的电路分 析
REPORTING
电路组成与元件
电路组成
电荷灵敏放大器主要由输入级、反馈级和输出级三部分组成。输入级通常采用差分放大 器结构，用于放大微弱电荷信号；反馈级通常采用运算放大器跟随器或射极跟随器，用于提高输出阻抗和减小输
应用领域
弱信号检测
电荷灵敏放大器在弱信号检测 领域中应用广泛，如电子显微 镜、光谱分析仪、辐射探测器
等。
电子测量
在电子测量领域中，电荷灵敏 放大器常用于测量电容、电感 、阻抗等参数。
通信与雷达
在通信和雷达领域中，电荷灵 敏放大器可用于接收微弱的信 号并进行处理。
生物医学工程
在生物医学工程领域中，电荷 灵敏放大器可用于心电图、脑
响应时间与带宽
响应时间
电荷灵敏放大器的响应时间是指输出 信号跟随输入信号变化的时间。响应 时间越短，电荷灵敏放大器的性能越 好。
带宽
电荷灵敏放大器的带宽是指其可以处 理的信号频率范围。带宽越宽，电荷 灵敏放大器可以处理的信号频率越高 。
2023
PART 04
电荷灵敏放大器的实际应 用
REPORTING
2023
电荷灵敏放大器课件
REPORTING

电赛作品_+5V单电源带宽放大器的设计

单电源+5V 带宽放大器的设计摘 要：本设计是基于单片机(msp430f169)和模拟放大电路相结合而成的系统，用于对宽带电压的放大，其带宽设置在20Hz 到10MHz 。

运算放大部分采用三级放大,OPA820ID 、AD603、THS3091D 分别作为第一级、第二级、第三级，实现电压Vi 到V o 电压增益≥40dB （100倍）。

经放大后的电压V o 经过检波器AD637检波之后得到模拟电压（电压V o 的有效值），然后用单片机内部的A/D 转换模块将模拟电压转换为数字电压，并进行数据处理，最终将数据结果(电压峰峰值和有效值)送到LCD1602显示。

本系统涉及到高频信号的传输，必然会在模拟电路部分产生较大干扰，并产生较大输出噪声，影响输出信号效果，所以需要采用一些去干扰措施。

一、 系统方案比较与论证(1)/系统设计整体设计共分为四个模块：单片机控制模块，运算放大模块，检波模块 ，显示模块。

其系统方框图如下所示：图一(2)、放大模块电源供电方式方案一：采用单电源供电。

运放使用单正电源供电，不会有负电压输出。

若不对输入信号进行适当处理，运放输出端不会输出负电压，后面AD637检波处就不能检测出正确的电压峰峰值。

因此，本方案比较复杂，容易引进更多噪声。

方案二：用正负双极型电源供电。

输入正弦波时，不进行信号的处理，对信号放大之后不会出现严重失真，且设计中采用的AD603放大模块和AD637检波芯片必须采用双电源供电。

这样模拟单路部分处理较简单，易实现。

综上，本设计选择方案二供电方式。

整体电源模块设计框图如下：+12V+5V -12V-5V图二AD637检波 msp430f169单片机 LCD1602液晶显示 有效值前置放大OPA820 中间放大级AD603和AD811 末级功率放大器THS3091D DC-DC 变换 供电 THS61087 MC33603 KA7905 THS3091 供电 前级运放供电 反向跟随器AD811(3)、中间放大级方案论证方案一：采用三极管构成多级放大电路实现≥40dB的增益，并使用分立元件自行搭建后级功放。

单电源运放交流放大器的设计

单电源运放交流放大器的设计Ξ博战捷,乌恩(内蒙古师范大学物理系,内蒙古呼和浩特010022)摘　要:分析了单电源供电运算放大器应用中存在的问题,给出同相输入与反相输入交流放大器的设计方法.关键词:运算放大器;交流放大器;应用设计中图分类号:TN 702　文献标识码:A 文章编号:1001-8735(2000)01-0036-03图1单电源运算放大器(如LM324类)采用一组正电源供电,使用比较方便.但作为交流放大器使用时,使用不当会产生信号失真.例如,图1是想利用单电源运放构成一个同相输入放大器,但输出信号却产生了负向切割失真.一些使用者误认为,单电源运放不适合在交流放大器中使用.其实,这是由于使用不当造成的.因为单电源运放只能输出V 0≥0的信号,而在图1中,要求输入信号在运放同相输入端出现时必须高于地电位(V +>0).假如输入端是一个带有直流成份的正弦信号,通过隔直电容后将是一个失去直流成份的图2纯交流信号.在交流信号的负半周(V +<0),输出端不可能输出V 0<0,所以负半周将被切割.为解决单电源运放产生的交流信号的失真问题,可以在运放同相输入端加直流偏置,使运放在静态时输出端有一个直流偏置电压输出V 0.这样,当交流信号输入时,输出信号将在V 0左右变化,在动态范围之内,信号不会失真,如图2所示.输出端静态偏置电压V 0一般可以为供电电源电压的1/2左右,以输出信号不产生失真为原则.本文以图3所示的同相输入运放电路为例,说明单电源运放交流放大器的设计方法.因运算放大器工作在线性放大区,由电路线性迭加原理可知,总输出为直流输出与交流输出之和,即Ξ收稿日期:1999-05-10作者简介:博战捷(1951-),男(蒙古族),内蒙古通辽市人,内蒙古师范大学副教授.2000年3月第29卷第1期内蒙古师大学报自然科学(汉文)版Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition )Vol.29No.1Mar.2000 V0=V0+V0=V I(1+R4R3)+V i(1+R4R3)=A v V I+A v V i.(1)图3式中,V0、V I为直流输出、输入信号;V0、V i为交流输出、输入信号;A v为同相输入运放的放大倍数. A v=(1+R4R3).(2)静态设计只与直流参数有关,由图3知 V I=E c R2R1+R2.(3)为推出一般表达式,可令 K R=R1R2,(4)假设将运放输出直流电压偏置在某一V0值,使 K=V0E c(5)考虑到运放直流输出为 V0=V I(1+R4R3)=A v V I(6)将(3)(4)(5)式代入(6)式,整理得 K R=1+R4/R3K-1=A vK-1(7)在实际应用电路中,一般都是先确定放大器的放大倍数,即R4/R3.如果设定V0为某一值,即可由(5)式和(7)式求出K值及输入端偏置电阻的比值K R.再选定R1、R2之间任一个数值,就可以算出全部电路参数.例　设计一个电压放大倍数为10倍的同相放大器.因A v=10,取R3=10kΩ,代入(2)式可求出R4=90kΩ.如果将V0设定为Ec/2,由(5)式得K=1/2.将A v值及K值代入(7)式,求出K R=19.取R2=10kΩ,由(4)式可求出R1= 190kΩ.一般情况下,各电阻值取相近系列值即可.如果交流放大倍数精度要求较高,R3可用精密微调电阻调节使之满足要求.直流偏置电压V0是为了保证运放能正常工作,一般不需精确调定.由于交流放大电路采用隔直电容耦合,直流偏差不会逐级放大传递.反相输入单电源运算放大器实用电路见图4,它的总输出为 V0=V0+V0=V0(1+R4R3)-R4R sV s,(8)式中第1项仍为直流偏置设定项.上面推出的同相输入运放的直流参数设计仍适用,只是在反相输入时,其交流放大倍数为 A v=V0V s=-R4R s.(9)・73・　第1期博战捷等:单电源运放交流放大器的设计 图4根据上述设计原则,还可以设计出其它类型的交流放大电路,不再赘述.另外,单电源运放如不用隔直电容,也可用于单极性信号V i >0、V 0>0的电路中.例如某些单极性的D/A 接口电路,在同相输入时,不加直流偏置即可正常工作.在反相输入时,必须加直流偏置V 0.考虑到输入信号源的内阻,上述关于V 0偏置的计算式仍适用.这种电路当输入信号上升时,输出的是一个下降信号,偏置设计应留出这一下降空间,否则信号将失真.参考文献:[1]　章诗白.模拟电子技术基础(下册)[M ].北京:人民教育出版社,1981.[2]　梁明理.电子线路(下册)[M ].北京:高等教育出版社,1991.THE DESIGN OF AC OPERA TIONAL AMPL IFIERWITH SIN G L E EL ECTRIC SOU RCEBO Zhan 2jie ,WU En(Depart ment of Physics ,Inner Mongolia Norm al U niversity ,Huhhot 010022,China )Abstract :The cause of incorrect AC OP -AMP with single electric source application of is analyzed.The design method of common AC amplifier with noninverting input and inverting in 2put is given.K ey w ords :operational amplifier ;AC amplifier ;application designing 我校齐宝瑛教授荣获第二届周尧昆虫分类学奖励基金奖我校生物系齐宝瑛教授继1997年获内蒙古自治区科技进步二等奖之后,于1999年又荣获第二届周尧昆虫分类学奖励基金三等奖.周尧昆虫分类学奖励基金是我国著名昆虫学家周尧教授捐资设立的,用于奖励在昆虫分类学科研工作和昆虫分类学学科发展方面作出突出贡献的杰出人才.颁奖大会在陕西杨陵西北农业大学昆虫博物馆举行,由周尧教授亲自颁奖.・83・ 内蒙古师大学报自然科学(汉文)版第29卷　。

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参考文献:
[1]张志勇,等.硅 光 电 二 极 管 与 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 在中微子实验中 的 设 计 应 用 研 究 [J].核 电 子 学 与 探 测 技 术 ,2002,22(2):138.
[2]李振元.低噪声电荷灵 敏 前 置 放 大 器 [J].核 电 子 学 与探测技术 ,1987,7(6):337.
一般的核探测器采用电压放大器即可获得 输 出 电 压 ,而 在 半 导 体 探 测 器 的 应 用 中 ,由 于 探 测器结电容随温度和探测器的工作电压的变化 而 变 化 ,使 输 出 电 压 变 得 不 稳 定 ,无 法 满 足 测 量 要 求 ,电 荷 灵 敏 放 大 器 的 设 计 可 解 决 这 一 问 题 。 电荷灵敏放大器实质是一个并联电压负反馈结
[3]E.科瓦尔 斯 基.核 电 子 学 [M].北 京:原 子 能 出 版 社 ,1975.
Thecircuitdesignofasinglesupplycharge-sensitiveamplifier
6 工艺设计
原理图设 计 思 想 需 要 PCB 设 计 工 艺 及 其 他工艺的保证才能使电路的性能达到预期的设 计目标,对于 电 荷 灵 敏 放 大 器 更 是 如 此。 电 路 的工 艺 设 计 也 是 很 重 要 的 一 环,设 计 时 要 考 虑 电 路 板 的 设 计 、电 磁 屏 蔽 、避 光 、防 潮 、防 震 等 工 艺。在电路板的 设 计 中 要 注 意 以 下 内 容:元 件 应 从 输 入 至 输 出 顺 序 排 列 ,分 布 均 匀 ,连 线 要 尽 量 短 ,电 源 线 要 尽 量 远 离 信 号 线 ,电 路 板 设 计 最 好大面 积 敷 铜。 另 外 印 制 板 清 洁 处 理 同 样 重 要。电磁屏蔽采用铜材料或不干胶屏蔽胶带等 新 型 电 磁 兼 容 材 料,避 光 工 艺 采 用 了 黑 色 胶 带 和 滤 光 片 ,防 潮 和 防 震 采 用 了 电 路 浸 胶 工 艺 。
表1 常用场效应管的特性
型号
跨导 /ms
等效噪声 电 压/nV
漏源饱和电 流IDS/mA
输入阻 抗/Ω
3DJ4D 2.5
11
0.05～0.35
1010
3DJ7I
2
5
1～3.5
1010
2N4416 6
6
1～3
1010
目前单电源低电压运算放大器种类很多, 根据需要可 选 场 效 应 管 输 入 型 或 CMOS 输 入 型 ,同 时 根 据 整 体 设 计 要 求 ,要 考 虑 芯 片 的 工 作
5 电路性能
电路主要 性 能 测 试 结 果,电 荷 灵 敏 度 ACQ =2×1012V/C;上 升 时 间 小 于 50ns;最 高 计 数 率 大 于 500kHz;
噪声电压小于2mV;信 噪 比 5 倍(241Am); 工作电流小于1mA;工作电压:在 2.7～5.5V; 在 0～50℃ 之 间 平 均 温 度 系 介绍的单电源电荷灵敏放大器已应用 在 半 导 体 个 人 剂 量 仪 中 ,经 长 期 使 用 ,电 路 性 能 稳定。单电源的电荷灵敏放大器为仪器便携、 低功耗、电池 供 电 设 计 提 供 了 基 础。 电 路 在 实 际 使 用 中 ,在 噪 声 、电 磁 兼 容 等 性 能 方 面 还 有 待 提高。
关 键 词 :电 荷 灵 敏 ;单 电 源 ;运 算 放 大 器 中图分类号: TN722.71 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2006)05-0630-03
集成运算放大器的快速发展为设计不同特 点和性能的电荷灵敏放大器带来很大的便利。 具 有 不 同 功 能、特 性 的 集 成 运 算 放 大 器 种 类 繁 多,从供电方 式 分 为 双 电 源 和 单 电 源 两 种。 一 般的电荷灵敏放大器常采用双电源运算放大器 设计,具有设 计 简 单、输 出 动 态 宽、可 产 生 负 脉 冲等优点,通 常 在 能 量 分 辨 辐 射 测 量 中 使 用。 而对于一些电池供电的便携式放射性测量仪器 仪 表 ,需 要 设 计 具 有 单 电 源 、低 功 耗 特 点 的 电 路 来满足仪器的要求。采用结型场效应管和单电 源 集 成 运 算 放 大 器 组 成 的 电 荷 灵 敏 前 放,具 有 单 工 作 电 压 、低 功 耗 的 特 点 ,适 合 在 半 导 体 个 人 剂量仪等便携式辐射仪器中应用。
实际工作点 设 计 运 放 虚 地 电 压 设 计 为2.2 V,静态时运放6 脚 输 出 电 压 1.6V 左 右,场 效 应管栅极为1.6V 左右,工 作 点VDS选 在 0.4～ 0.6V 之间,VGS 在 0～ -0.4V 之 间,IDS 在0.2 mA 左右。基 于 减 少 信 号 堆 积 和 噪 声 的 考 虑, 根据需要 R6选 用 10～100MΩ 的 金 属 膜 电 阻。 为提高信 号 输 出 幅 度,增 加 信 噪 比,反 馈 电 容 C1采用温度稳定 性 好 的 0.5pF 电 容。 电 容 C2 接在 反 馈 电 阻 和 电 容 之 间 实 现 交 流 耦 合,可 提 高高频特性。 电 源 采 用 3.3V 单 电 源,由 于 电 源很 小 的 扰 动 可 产 生 很 大 的 噪 声,根 据 需 要 可 增加 滤 波 电 路 消 除 电 源 纹 波 噪 声,以 减 小 电 源 产生的干扰。以上参数设计与使用探测器类型 有 一 定 关 系,使 用 不 同 探 测 器 可 以 微 调 一 些 参 数能提升电路性能。
表2 几种放大器具体指标
型号
电源电 压/V
工作电 流/mA
等效噪 声/nV
带宽 /MHz
INA155 2.7～5.5 0.7
38
MAX495 2.4～5.5 0.15
50
TLV2372 2.7～15
0.66
39
1 0.3
3
4 电路分析
图3 实用电路原理图
3 器件性能
电荷灵敏放 大 器 性 能 的 好 坏,器 件 的 选 择 至 关 重 要,本 电 路 关 键 器 件 是 场 效 应 管 和 单 电 源集成 运 算 放 大 器。 场 效 应 管 一 般 选 择 噪 声 低、跨导高、低 饱 和 电 流 的 结 型 场 效 应 管,常 见 型号有国产 3DJ4、3DJ7 等,国 外 产 的 2N4416、
如图3,信号从场效 应 管 栅 极 输 入 反 向 后, 流 入 放 大 器 正 向 输 入 端,由 反 馈 电 阻 和 反 馈 电 容构成并联电压负反馈放大器。放大器中输入 级 场 效 应 管 采 用 共 源 方 式,其 栅 极 通 过 反 馈 电 阻 R6来稳定其静态工作点,使其在0V 或负偏 压下获 得 最 低 噪 声。R6 同 时 是 积 分 电 容 C4 的放电 回 路,其 RC 常 数 影 响 输 出 脉 冲 的 下 降 时 间 。C1 是 耦 合 电 容 ,依 据 探 测 器 工 作 电 压 选 择高压电容 或 普 通 低 压 电 容。R1 为 限 流 保 护 电阻。D1、D2用来保 护 输 入 端,当 输 入 端 正 信 号和负信号大于二级管反向导通电压和正向导
通电压时,信号 被 二 级 管 钳 位。R2、R3 是 场 效 应管3DJ7I的偏 置 电 阻,其 电 阻 值 根 据 场 效 应 管 的 转 移 特 性 曲 线 确 定 ,首 先 确 定 漏 源 电 流 ,在 假定 虚 地 电 压 值 后,可 确 定 R4、R5、R3 电 阻
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值 ,由 于 栅 极 无 电 流 产 生 ,其 直 流 电 压 等 于 运 放 6脚输出电 压,而 场 效 应 管 的 源 极 电 压 被 设 计 小 于 栅 极 电 压 ,使 栅 源 电 压 为 负 ,从 而 保 证 场 效 应管正常工 作。 另 外 为 保 证 运 放 正 常 工 作,漏 极电压设计等于运放虚地电压。
图1 电路原理图
收 稿 日 期 :2006-03-15 作者简介:邓长明(1968-),男,山西 平 遥 人,中 国 辐 射 防 护 研 究 院 副 研 究 员 ,从 事 核 电 子 学 研 究
2 电路设计
2.1 单电源运算放大器
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模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压 的条 件 下 使 用 运 算 放 大 器,如 图 2 左 边 的 那 个 电路。一个双电源是由一个正电源和一个相等 电 压 的 负 电 源 组 成,一 般 是 ±15、±12 和 ± 5V。输入电 压 和 输 出 电 压 包 括 正 负 电 压 的 摆 动幅度,都是 参 考 地 给 出 的。 单 电 源 供 电 的 电 路(图2右),运 算 放 大 器 的 电 源 两 脚 分 别 连 接 到正电源和地。正电源引脚接到运算放大器的 VCC 引脚,地 连 接 到 运 算 放 大 器 VCC 引 脚 或 GND。将正电压通过 电 阻 分 压,获 得 直 流 偏 压 作 为 虚 地 接 到 运 算 放 大 器 的 输 入 引 脚 上,这 时 运算放大器的输出电压接近电源的一半电压, 单电源运算放大器输入和输出是参考电源地 的,在 实 际 应 用 中 一 般 需 在 两 级 放 大 器 之 间 加 入 隔 直 电 容 ,以 方 便 工 作 点 的 设 计 。
构的放大器,电 路 原 理 如 图 1。 电 容 Cf从 放 大 器 输 出 端 引 出 负 反 馈 加 到 输 入 端,等 效 到 输 入 端其 容 量 为 Cf(1+K),K 是 放 大 器 的 放 大 倍 数,而总 的 输 入 端 电 容 等 效 为 CD +CΣ +Cf(1 +K),其中CD是探测器结电容,CΣ 为分布电容 和输入电容之和。如果选择的放大器增益 K 足够 大,则 输 出 电 压 U ≈ΔQ/Cf。 因 此 电 荷 灵 敏放大器的主要特点是输出电压与入射射线的
能 量 成 正 比,并 消 除 了 探 测 器 结 电 容 和 分 布 电 容的影响。采用集成运算放大器设计的电荷灵 敏 放 大 器,为 降 低 噪 声 一 般 在 放 大 器 加 一 级 结 型 场 效 应 管 输 入 级,再 根 据 实 际 电 路 要 求 选 择 合适的集成运算放大器。