电荷灵敏前置放大器在核电子学中的发展现状

电荷灵敏前置放大器在核电子学中的发展现状
许文贞 vincent.xu.chn@gmail.com
摘 要：电荷灵敏灵敏前置放大器是核探测系统中重要的一部分。本文首先简单介绍电荷灵 敏前置放大器的基本原理以及它在当今物理研究和应用中面临的问题。然后根据在应用中对小 型化的探测器及相应的电子学的需求和在高能物理研究中对多通道的探测器及其相应的电子学 的需求，分别介绍了小尺寸电荷灵敏前放、CMOS 在电荷灵敏前放中的应用以及多路电荷灵敏 前放，并对它们的发展做了展望。
和反馈电容，Vf 为反馈电压，Vi、VO 分别表示输入电信号电压和从前放输出的电压，A 为倒相
放大器的增益。因此可列出电路中的方程（将时域信号表达式转化成复频域）：
经复频域拉普拉斯变换得：
V0 (S ) =
Cf
Q + C∑
A
⋅1 S
V0 (t)
=
Cf
Q + C∑
A
⋅ u(t )
(1.1)
其中 C∑
= Ci
小尺寸电荷灵敏前置放大器绝大部分元件为表贴元件，而且也可将场效应管嵌在电路板上， 通过实验最大限度的减少了元件的数量，但是其中的场效应管、反馈电阻和反馈电容均不能实 现为表贴元件。因此仍可通过材料科学的发展而实现放大器的集成化，如下文所要论述的关于 用 CMOS 材料来代替上述提及的场效应管。
3. CMOS 在电荷灵敏前置放大器中的应用
1. 电荷灵敏前置放大器的基本原理
电荷灵敏前放一般是由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈元件为电容组成的负
反 馈 放 大 器 ， 原 理 图 见 图 1.1 。 若 将 从 探 测 器 出 来 的 电 信 号 iD(t) 看 成 是 冲 击 信 号 即 ： iD (t ) = Qδ (t ) ，它的复频域表达式为 ID ( S ) = Q 。另外原理图中 Ci、C f 分别表示输入端电容
流行的就是运用集成运放来代替传统的简单的三极管组合，从而实现结构的简单化。例如用于
金硅面垒半导体探测器的电荷灵敏前放，可以选择以，以结型场效应管、集成运放为主要部件，
而且其部件除了场效应管、反馈电阻和反馈电容外均为表贴元件，这样整个放大器的尺寸也就
大概为 10mm ×5mm ×100mm[1]。
wenku.baidu.com
这种放大器电路图见图 2.1。
+ C f 为冷电容 ， A >> 1时，C f

C∑ A
， u(t) 为单位阶跃电压，即
u(t)
=
⎧1 ⎨⎩0
t t
≥ <
0 0
，于是输出信号可写为：
v0 (t ) =
Q Cf
u (t ) = V0mu (t )
V0m = Q C f
(1.2)
Vom 为输出信号幅度，它仅仅决定于 Cf 值和 Q 的大小，将不随 Ci 或 A 的不稳定而变化，只要 Cf 值恒定，输出信号幅度保持与电荷量正比关系。
探测器在核医学及临床诊断、核电站安全监测系统、环境监测系统、X 及 γ 射线剂量测量，核
爆、空间物理和工业等许多领域得到广泛的应用，因此就需要有小型便携式探测器的设计，相
应的与探测器信号检测相配合的电荷灵敏前置放大器也需要向小型化、集成化发展。因此将半
导体探测器和小尺寸电荷灵敏前置放大器应用于小型核探测装置，是一种非常有应用前景的技
核反应产物日趋复杂，出射粒子道变得极为复杂和丰富，被测粒子除了能量信息外，其位置信 息也很重要，这时就需要多路的前置放大器来探测其中的物理信息。因此这方面也是前置放大 器应用方面着重要考虑的课题之一。
本文主要分成四个部分，第一部分将对电荷灵敏前置放大器的基本原理做一个简单的介绍； 第二部分则是如何根据前置放大器的基本原理设计出小尺寸前置放大器器件的介绍；第三部分 介绍 CMOS 高度集成电路在前置放大器中的应用；最后一部分则是探测器中多路电荷灵敏前置 放大器的介绍。
图 2.2 前置放大器的上升、下落时间测量图
文献[3]中同样为了配合可携带型的小型半导体 CdZnTe 探测器也设计了一种小尺寸 (3mm×7mm×3mm)的电荷灵敏前放。其放大器的电路图与上述的类似，其中为了提高输入级输 入阻抗选用 N 沟道结型低噪声场效应管 2N4416 作为输入级，选用宽频带高速运算放大器 MAX477 构成放大级实现响应速度快、频带宽、功耗低等要求。在该实验中通过对仪器的性能 测量，结果显示这种便携式的 CdZnTe 探测器与小尺寸的电荷灵敏前放的结合同样具有较好的 能量分辨率和探测效率，也论证了便携式探测器的可行性，例如这种探测器可用于手持式肿瘤 探测仪之中，大大缩小了探头的尺寸，既方便了医生的操作，又提高了肿瘤定位的准确性。
图 1.3 典型的电荷灵敏前置放大器的电路图
2. 小尺寸电荷灵敏前置放大器的设计
当代核仪器向智能化、集成化发展，除了因为近代电子学和计算机技术的飞速发展而带动
仪器的发展外，最主要带动因素则是因为现在的核仪器早已走出了以物理实验为主要目的的局
限，而是为了满足各个领域的需求而促使了核仪器向智能化和集成化发展。例如现在的半导体
术。
在对电荷灵敏放大器向集成化、小型化发展时，为了追求尽量小的尺寸的同时放大器的性
能下降与否是要重点考虑的，因此在小型电荷灵敏前方的研究中，主要的难题就是在如何实现
既让放大器的体积变小、功耗降低、结构变简单的同时而同时实现性能的提升，如有良好的信
号输出和信噪比。因此材料的选择、电路的合理设计是实现这个难题的突破口。因此现在比较
关键词：电荷灵敏前置放大器；小尺寸；CMOS；多路电荷灵敏前置放大器
引言
电子学是在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学 科。它是以核科学、高能物理等学科的基础研究为依托而兴起的，而且是以各种电学技术的不 断发展而逐步蓬勃发展的一门学科，因此它的形成也即在于 20 世纪 50 年代。在物理的基础研 究中，人类对微观世界的研究是通过探测微观粒子间相互作用过程中产生的各种辐射、辨别辐 射粒子的类型、测量其能量、确定各种辐射粒子间时间关系和重建辐射粒子在空间穿越的径迹 等，从而获得微观粒子相互作用过程中各种信息，揭示出微观世界的奥秘。
流耦合，R 实现阻抗匹配通，过
图 2.1 一种小尺寸电荷灵敏前置放大器的电路图
RLC 滤波电路消除纹波， R 上另 加了一级 RC 滤波电路，以减小电
源产生的干扰。另外，在集成运放的输入端也各加了一级 RC 滤波电路。 在材料的选择上，首先要考虑到的是噪声问题。前置放大器的噪声源包括反馈电阻的热噪
因此，无论是在核物理和粒子物理实验研究中，或者是在核科学与技术的实际应用中, 都 需要采用电子学方法对核辐射进行测量, 都需要对核探测器输出的信号进行处理与分析。整个 过程可简单描述为：用电子学方法收集辐射粒子在探测器内产生的电荷而形成电信号，经过信 号模拟处理（放大或成形）和数字化之后，送入专用的数字化处理系统或计算机进行处理和分 析，从而得到这些辐射粒子所携带的各种物理信息（能量、时间和空间等方面特性）。简单流程 示意如下：辐射→探测器→形成电信号→模拟处理→数字化→计算机或专用设备数据采集→在 线分析。其中从形成电信号道数据采集和再现分析这一过程就是核电子学的研究范围。
由于探测器输出信号往往比较小, 一般情况下, 首先要通过放大器进行放大，也即是在上述 流程中的形成电信号→模拟处理这一过程中，因此与探测器输出直接相联的电路即称为前置放 大器。前置放大器最主要的功能是放大来自探测器的信号, 并尽可能低的产生附加噪声贡献, 并 对随后传输的电信号尽量减少外界电磁场的影响。对应于不同类型的探测器将有不同的前置放 大器与之相配, 根据探测器输出信号成形方式的特点分类, 前置放大器可分为电压灵敏前置放 大器、电流灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器三大类。电流灵敏前置放大器属于电流型的 放大器，一般在时间谱仪或高计数率测量中的核仪器，是为了使电子学电路不增加信号持续时 间，尽可能得到与探测器输了出的电流信号在宽度或形状上相近的电信号。而属于积分型的前 置放大器电压灵敏和电荷灵敏前置放大器则一般是在能谱仪中，是为了获得幅度正比电荷量的 电压信号，即正比于探测器电流信号对时间的积分。
CMOS 指互补金属氧化物（PMOS 管和 NMOS 管）共同构成的互补型 MOS 集成电路制造 工艺，它的特点是低功耗。由于 CMOS 中一对 MOS 组成的门电路在瞬间看，要么 PMOS 导通， 要么 NMOS 导通，要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。在通用 模拟 CMOS 运算放大器电路中，其简单电路形式如图 3.1 所示，其输入级一般采用差分输入[4]。 在图 3.1 中，Q1、Q2 构成了差分放大电路的双端输入单端输出形式，Q3、Q4，是恒流源，其余 MOS 管为电路提供偏置或构成输出级。此类电路的输入阻抗比较高。图 3.2 是由 CMOS 管构成 的电荷灵敏前置的噪声模型[5]。前放输人端等效电子学噪声可以用等效串联噪声 en2 和并联噪声 in2 来描述。并联噪声主要来源于探测器漏电流和反馈电阻, 不能通过放大器的设计来减小。而 串联噪声来源于探测器输人管, 有白噪声和噪声两种，低噪声放大器设计的主要任务是选择合 适的几何参数, 使得一定功率小最小。
图 1.1 电荷灵敏前置放大器原理图
图 1.2 电荷灵敏前置放大器电路等效图
典型的电荷灵敏放大器一般由三级放大电路组成，电路图如图 1.3 所示。T1 管为结型场效
应管，接成共源放大器。T2 为共基放大器， T1 管源极变化电流基本上流入 T2 管，因为 其负载电阻很大，通常可用一个三极管作其 负载，T3 管接成一个射极跟随器作为输出 极。由公式(1.2)可以看出电荷灵敏放大器的 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。电荷灵敏前置前放的基本要求包括 有：①低噪声、②高的放大倍数、③大的输 人电阻、④尽量小的放大器上升时间、⑤高 的电荷灵敏度。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。
在电路上的设计图 2.1 中以图
1.3 一样输入级同样采用共源方式
的场效应管，通过反馈电阻来实现
电路稳定。当然这里跟图 1.3 的不
同主要在于图 2.1 中在场效应管后
接一晶体管射极跟随器以满足运
放的共模输入要求，集成运放采用
高增益宽带运算放大器。电容 C
接于输出和输入端之间实现交流
反馈，电容 C 实现输入和输出交
虽然上述已经论证了通过将电荷灵敏放大器的大部分元件设计成表贴元件而且可以通过电 路的设计实现前置放大器的小型化，而且在性能上并不逊与比它大的前放，但是在实际应用中 上述方法实现的小尺寸电荷灵敏前放还是无法满足实验要求。例如，对于小型光电探测器来说 它产生的光电流非常微弱(A 量级)，或者是对于那些用来探测微弱辐射的探测器来说它们产生的 电信号极为微弱，如果采用一般的放大器进行放大，其本身会引入噪声，后一级放大器必然会 将前一级放大器引入的噪声进行放大， 所以需要一个低噪声、高增益的前置放大器对信号进行 放大，同时需要放大器和光电探测器应有最佳的匹配，输出尽可能大的信噪比[4]。另外在近代 高能、太空物理中以及医学成像等辐射探测应用中，需要的探测器单元尺寸不断减小，这种情 况下就迫使前端电子学增加信道数[5]，例如现在的高能、医学成像中一般要求的信道数达到 105～107。但是这些情况中如果采用传统的分立元器件或混合集成电路设计的结型场效应管作 为电荷灵敏前放的输入级很难满足上述具体应用的要求。因此实现高性能、高密度、低成本的 核电子学前端成为一个亟待解决的课题，而 CMOS 是目前集成度最高、使用最广泛的集成电路 工艺，它的发展正符合了这些物理实验上的要求。
声、场效应管的沟道热噪声和闪烁噪声以及场效应管栅极漏电流噪声等[2]。在输入级上选择比 BJT/MOSFET 具有更低的低频噪声和输入节的 JFET。在场效应管上选择具有跨导较大而噪声更 小的 3DJ7 结型场效应管。在反馈电阻上则选用 1GΩ 的玻璃合成高阻，而且将其一端直接焊接 在场效应管栅极上以减小输入端的分布电容。该放大器的性能测量，测得噪声为 1.8keV(Ge)， 上升时间<30ns，下落时间为 1.5ms，前置放大器的上开、下落时间测量图见图 2.2。图 2 中， Ch1 为前置放大器的输入信号，Ch2 为测量系统的输出信号[2]。
电荷灵敏前置放大器是目前高分辨能谱测量系统中用得最多的前置放大器, 它输出增益稳 定、噪声低、性能良好。但是随着实验技术的不断发展, 核物理研究的实验规模越来越大, 在一 个实验测量系统中, 需要的探测单元也越来越多, 每一个探测单元需要配备一个前置放大器, 这样就需要许多个前置放大器。而且现在核技术的应用领域很广，这就需要一些小的探测器设 备的出现才能使得核技术充分的在广泛的领域中应用。因此正由于这些需要我们考虑探测器的 体积大小问题，但是传统的前置放大器一般采用分立元器件或混合集成电路设计的，这种在尺 寸和性能上很难满足现在实验及应用的要求。因此目前如何设计出小尺寸的前置放大器以及如 何将前置放大器的电子元件高度集成化是两个重要课题和任务。另外在现代的高能物理研究中，