1、第22卷第2期2002年3月核電子學(xué)與探測技術(shù)NuclearElectronics&DetectionTechnology.22No.2VolMarch2002一種新型的電流靈敏前置放大器鄭健,楊自覺,王立強(qiáng)(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院,北京100084)摘要:低噪聲、數(shù)字化、集成度高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是當(dāng)今輻射成像測量中的關(guān)鍵技術(shù)之一針對這關(guān)鍵詞:輻射成像;前置放大器中圖分類號:TN722.3;TN722.71:20934()2030、醫(yī)療診斷、安全檢測等方面有著不可替代的、非常重要的應(yīng)用。隨著對檢測精度、檢測速度、檢測設(shè)備的智能化集成化以及檢測對象的規(guī)模不斷提高,傳統(tǒng)上以分立器件或低集

2、成度器件構(gòu)成的阻容反饋式前置放大器顯得越來越不適應(yīng)輻射成像系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。當(dāng)前,開關(guān)積分器形式的高度集成的前置放大器已經(jīng)在輻射成像系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。FET跨導(dǎo)放大器往往具有更大的帶寬和輸入電容,這不利于獲得更好的信噪比。為了提高信噪比,往往要在前放之后設(shè)計濾波網(wǎng)絡(luò)。因此在實際的設(shè)計中,必須在眾多的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器中進(jìn)行噪聲和帶寬的折中選擇。反饋電阻Rf是產(chǎn)生噪聲的主要因素之一,為了降低噪聲,應(yīng)該降低Rf,然而為了獲得足夠的輸出增益,Rf必須足夠大。同時,由于FET跨導(dǎo)運(yùn)算放大器對ESD非常敏感,對反饋電阻和反饋電容的精度要求高,使得這種電路的實際制作難度很大。如果考慮將Rf去掉,則得到

3、以下形式的電路(圖2)。1原理目前,在核醫(yī)學(xué)、核無損檢測以及諸如核子秤等工業(yè)核監(jiān)測儀器中,進(jìn)行的是輻射強(qiáng)度測量,也就是通過測量輻射探測器的電流輸出來獲得一定時間范圍內(nèi)的平均輻射強(qiáng)度,其中的電流信號是一種低頻信號。低噪聲的前置放大器是這些儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,這些前置放大器的最普遍的電路形式如圖1。其中A一般采用FET跨導(dǎo)運(yùn)算放大器,如AD515等,前放電路的傳輸函數(shù)是V0=在電路的設(shè)計中,為了獲得良好的信噪比,IRf。需要采用低噪聲的FET跨導(dǎo)放大器。然而低噪收稿日期:2000211205作者簡介:鄭健(19732),男,廣西北流人,博士生。圖1前置放大器的普遍的電路形式圖2去掉Rf后的

4、前置放大器這種電路形式的工作原理是:將探測器的152輸出電流在反饋電容Cf上進(jìn)行積分一定時間t,得到一個正比于電流與積分時間乘積的電壓。電路的傳輸函數(shù)是:V0=It。開關(guān)S1、S2控制Cf進(jìn)行保持或進(jìn)行放電復(fù)位,開關(guān)S3用來進(jìn)行多路信號之間的選擇。由于積分效應(yīng)等效于低通濾波,因此這種形式的放大器無須后繼的濾波網(wǎng)絡(luò)即可有很好的噪聲性能。如果采用分立元件進(jìn)行這種形式的前放電路設(shè)計,在實踐上是不可行的,因為模擬開關(guān)S1、S2、S3在狀態(tài)改變時對Cf會產(chǎn)生注入電荷,相對于探測器的微弱信號輸出,這些注入電荷的噪聲是非常大的。但是隨著集成電路的發(fā)展以及電流靈敏前置放大器需求的發(fā)展,世界上一些大型實驗室以及

5、一些大的集成電路供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了基于這種開關(guān)積分器的單片前置放大器(如英國盧瑟福實驗室開發(fā)的2),列的特點,路中實現(xiàn)了對多路信號的同步無死時間測量。因此開關(guān)積分前放以其易于使用、良好的噪聲性能和高集成度得到了很大的重視。我們在大型集裝箱檢測系統(tǒng)中應(yīng)用這種形式的前放,取得了良好的效果。選擇合適的積分時間,開關(guān)積分器前放也能應(yīng)用于粒子能量的測量。在阻容反饋前放中,有效利用的粒子數(shù)是兩倍時間常數(shù)(=RfCf)內(nèi)入射的粒子數(shù),前)。一(2n放輸出電壓的相對均方漲落v02=1 般來說,為一個像素掃描時間的幾分之一,造成未能充分利用入射的粒子。在實際測量中,一般采用一個像素范圍內(nèi)進(jìn)行過采樣,即多次采樣然后

6、將采樣值平均后作為該像素的測量值,這樣測量可以減小統(tǒng)計誤差,但從本文分析可知,這對減小像素間的測量相關(guān)卻是不利的。在積分測量方法中,如果認(rèn)為電荷收集時間足夠短,對A、B兩時刻間的信號進(jìn)行積分,則有效地利用了AB段間的全部信號,也就是。,一個像素80ms,的平均質(zhì)量密度。而積分測量方法中積分時間是由數(shù)字時鐘控制的,能保證很好的一致性。這就為在較低的射線下獲得足夠的測量精度,提供了可能。這是具有很大現(xiàn)實意義的。2)克服在阻容反饋測量中由于時間常數(shù)的存在造成的像素間的測量相關(guān)。由于阻容反饋式前放中高阻一般是G8量級,而Cf一般是pF量級,取一個典型值則有=RfCf=10ms的時間常數(shù),該測量方法的階

7、躍響應(yīng)(對于階躍的質(zhì)量密度變化,如果忽略電荷收集時間,則探測器的電流信號輸出也是階躍型)是:v02=Rf1-exp(-t 如果后續(xù)A )。D轉(zhuǎn)換的采樣周期是20ms,對階躍輸入,第一個采樣點的值只達(dá)到0.86倍的穩(wěn)定響應(yīng)。這就意味著,每個采樣點的值是當(dāng)前像素和前一二個像素的信息的混合反映。這對于細(xì)節(jié)分辨及空間分辨率將帶來不利影響。為了獲得一定的增益,Rf的阻值一般選擇G8量級,而且為了降低帶寬以抑制噪聲,的值不能選得過小,因此要明顯地增大采樣周的值一般是10ms量級。期,則要明顯地降低掃描速度。因此,阻容反饋式前放限制了測量速度。在積分測量方法中,一次測量完成后,要將積分電容上的電荷全部釋放,

8、因此消除了兩次測量的相關(guān)性。如果忽略電荷的收集時間和在一個像素測量過程中物體的移動,積分測量的階躍響應(yīng)也是階躍型的,也就是說,采用積分測1532開關(guān)積分器前置放大器的優(yōu)點在輻射成像領(lǐng)域,采用開關(guān)積分器的前放與傳統(tǒng)的阻容反饋前放相比,有以下優(yōu)點:1)降低測量的統(tǒng)計漲落,有利于降低對輻射源的強(qiáng)度要求,以及使測量值真正反映像素范圍內(nèi)的平均質(zhì)量密度。入射到探測器的輻射粒子數(shù)以及入射粒子產(chǎn)生的電子離子對數(shù)都是具有統(tǒng)計漲落的隨機(jī)過程,這些隨機(jī)過程就決定了輸出的信號也是具有漲落的。一般地,探測器輸出信號的相對均方漲落v02與一次測量中被有效利用的平均入射粒子數(shù)n有以下關(guān)系:v02(1 n)。它表明v02與n

9、成反比關(guān)系。為了獲得足夠小的漲落,必須保證測量時有效利用的粒子數(shù),也就是要保證足夠的射線源強(qiáng)度、測量時間、探測效率和充分的利用效率。量方法,每個像素的采樣值可以很好地反映該像素范圍內(nèi)的平均密度,而不受到相鄰像素的相關(guān)性干擾。3)對高頻噪聲能起到更好的系統(tǒng)抑制作用,特別是很好地抑制周期性干擾和噪聲,如交流市電造成的50Hz及其倍頻干擾。由于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器具有較大的帶寬,而在輻射強(qiáng)度測量中,探測器輸出是近乎直流的低頻信號,因此希望前放對高頻信號有很好的抑制。含高阻的電流 電壓變換測量方法的頻率響應(yīng)是:(1+22),=RfCf H() 2=1 積分測量方法的頻率響應(yīng)是:()2sin2(T H() 2

10、=4 2),T是積分周期。, 2),抑制,=2kT,k為整數(shù),積分測量,對這些頻率的信號起到了完全的抑制。周期性干擾和噪聲中,如高壓紋波等,很大一部分是由市電干擾造成的,市電的周期是20ms,如果積分測量的周期選擇為20、40、60ms等,則抑制作用就能達(dá)到。而實踐中,性能非常好而昂貴的靜電放大器(如AD515),而且要求特定的前放制作工藝。阻容反饋前放常常還需要第二級的濾波器,在像素的大小降低到幾mm時,前放就要受到較大的器件空間和布線空間的限制。目前采用開關(guān)積分器的前放產(chǎn)品中,由于在單片電路內(nèi)實現(xiàn)了反饋電容以及相關(guān)的開關(guān)控制邏輯,這些產(chǎn)品的輸入端采用了特殊的工藝而具有很好的虛地特性,而且這

11、些產(chǎn)品往往還將多路信號的測量在單片電路中實現(xiàn)(如英國盧瑟福實驗室開發(fā)的HX2),因此采用這些產(chǎn)品的前放電路的實現(xiàn)難度得到了很大的降低。),阻容反Rf,而它們由前放的元件參數(shù)直接決定,所以必須為不同采集參數(shù)的系統(tǒng)制作不同的前放。而在開關(guān)積分器前放中,由于其測量周期由數(shù)字脈沖決定,而且能夠根據(jù)不同的信號幅度由控制邏輯選用不同的反饋積分電容,因此能夠以完全相同的硬件系統(tǒng)適應(yīng)不同的采集參數(shù)和輻射源強(qiáng)度,這在應(yīng)用實踐中具有很大的意義。市電頻率的電磁干擾和噪聲是空間電磁干擾和噪聲的最主要部分,也是最難對付的成分。對于阻容反饋式前放,在實際應(yīng)用中為了很好地抑制噪聲,常常在第一級阻容反饋高阻的前放后增加一級低

12、通濾波電路。但是這同時又不利于對快信號的反應(yīng),增加了測量相關(guān)性,以及增加對器件空間的要求。4)避免具有繁難工藝的前放,減少器件空間,使測量電路的實現(xiàn)變得簡單和更加通用。實踐表明,采用阻容反饋的前放形式要求3實現(xiàn)我院的鐵路集裝箱檢測系統(tǒng)要求系統(tǒng)的成像陣列能夠具有768路通道的規(guī)模,每2ms完成一列像素的測量。對這樣高速的測量,阻容反饋式的前放顯然是很不適應(yīng)的。一種基于開關(guān)積分器前放的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在我們所開發(fā)的鐵路集裝箱檢測系統(tǒng)樣機(jī)中得到了實際的應(yīng)用,并取得了良好的效果,充分體現(xiàn)了上述的開關(guān)積分器前放的優(yōu)點。AnewkindofcurrentpreamplifierZHENGJian,YANGZi2jue,WANGLi2qiang(InstituteofNuclearTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)AbstractInthefieldofdigitalradiography(DR)nowadays,alownoise,digital,highlyintegrateddataacquisition(DAQ)subsystemisveryimportant.Thetradit