电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计_肖海军
低噪声CMOS电荷敏放大器设计与研制
低噪声CMOS电荷敏放大器设计与研制于奇;杨谟华;李竞春;王向展;肖海燕【期刊名称】《电子科技大学学报》【年(卷),期】2003(032)002【摘要】提出了一种新的低噪声低功耗电荷敏感放大器设计方案.用EDA软件Cadence进行模拟,得到了满意的仿真结果:直流开环增益为82.9 dB,f-2dB为28 kHz,相位裕度为46.9°,低频下输出噪声频谱密度为1.5 μv/Hz2.采用标准的3 μmP 阱CMOS工艺进行了流片,测试结果与模拟情况相近.%A new design of low-noise low-power consumption charge sensitive amplifier ispresented. Simulated by EDA software Cadence, the results obtained are satisfied. The DC open-loopgain is 82.9 dB with a 28 kHz -3 dB bandwidth and its phase margin is 46.9°. The maximum output noisespectral density is 1.5 μV/Hz2 at very low frequency. Using standard 3 μm P-Well CMOS technology, theproposed amplifier is fabricated, and the measurement results are closed to the simulation.【总页数】4页(P146-148,163)【作者】于奇;杨谟华;李竞春;王向展;肖海燕【作者单位】电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054【正文语种】中文【中图分类】TN431.1【相关文献】1.0.18μm CMOS射频低噪声放大器设计 [J], 张子博;郝建华;孟泽;陈宜文2.2．4 GHz CMOS低噪声放大器设计 [J], 程远垚;宋树祥;蒋品群3.基于3.1～10.6 GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计 [J], 赵小荣;范洪辉;朱明放;傅中君;黄海军;陈鉴富4.一种基于65纳米CMOS工艺的77GHz低噪声放大器设计 [J], 张书豪;何进;李硕;王豪;常胜;黄启俊5.基于锗硅BiCMOS工艺的低噪声差分放大器设计 [J], 张华斌;刘萍;邓春健;杨健君;刘黎明;陈卉;王红航;熊召新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电荷灵敏前置放大器
电荷灵敏前置放大器【实验目的】1.研究电荷灵敏前置放大器的放大特性；2.学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法；3.了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性。
【实验仪器】我们以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象，现将其有关问题做一介绍：1．框图、线路图：（1）框图：（2）线路图（供参考）【实验内容】1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
（1）测试原理：实验线路如下图所示：在前放的检验端输入幅度为V i （带负载情况下的幅度）的负阶跃脉冲，则输入电荷Q i＝i C V C 。
输入电流则近似为冲击电流Q i δ（t ）。
测出输出幅度V o ，则变换增益为：o o c i c iV VA Q C V == 测量输出信号下降时间常数即为前放输出脉冲衰减时间常数。
本前放pf 1C ,pf 1C ,10R c f 9f ==Ω=，最大输出幅度2V 。
将信号发生器输出幅度调为约为2V （2）理论思考：① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o V 受c C 的影响吗？将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的c A ，有影响例如：若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？pf 5.0C c =，V i =4V ；2pf ，V i =1 V② V i 的极性、幅度、脉宽及周期的上、下限应如何考虑？极性：负极性a. 若V i 如下图，V o 该如何？b.若V i 如下图，V o 又该如何？答：这两个图的差别主要是输出信号是否能在一个水平端完成衰减，因为我们要测量时间常数，所以选择a ，让输出信号有足够的时间稳定下来。
为方便f f f C R =τ= 1ms 的测试，你选上述a 、b 中的哪种V i ？【a 】（思考：对指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τtM o eV t V -=)(那么经过τ=t 时间，M MtM o V eV eV t V 37.0)(≈==-τ，可否利用此结果来测出τ？答：可以，用示波器的幅度和时间测量可以完成该测量。
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计作者：秦正波任羊弟王辉来源：《现代经济信息》2017年第07期摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。
该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2，带宽高至3.9GHz。
整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。
经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。
关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2017）007-0-02The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurementQIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui（Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China）Abstract： A miniature， ultra-low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low-noise引言在大学物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性（10-9秒），而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。
一种低噪声前置放大器的电路设计
ＶＯ１ １ ７ ．ＮＯ ５
电
子
与
封
装
总 第１ ６ ９ 期
２ ０ １ ７年 ５月
ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩ ＣＳ ＆ Ｐ Ａ ＣＫＡ ＧＴ ＮＧ
一
种低 噪声 前置放 大器 的 电路设计
王 彬 ，李 健２ ， 肖姿 逸
（ １ ． 中 国 电子 科 技 集 团 公 司 第 ５ ８研 究 所 ，江 苏 无 锡 ２ １ ４ ０ ７ ２ ； ２ ． 江 南 大 学 ，江 苏 无 锡 ２ １ ４ １ ２ ２ ）
关键词 ：低噪声 ；斩波技术 ；快速建立
中图分类号 ：Ｔ Ｎ４ ０ ２
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ８ １ ． １ ０ ７ ０（ ２ ０ １ ７ ）０ ５ — ０ ０ ２ ４ ． ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ａ Ｌｏ ｗ Ｎｏ ｉ ｓ ｅ Ｐｒ ｅ ａ ｍ ｐｌ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐｅ ｒ ， ａ ｐ ｒ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｒ ｏ ｆ ＣＳＭ Ｃ Ｓ Ｔ２ ０ ０ ０ ＰＤＫ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｅ ａ ｔ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｏ ｗ— ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ， ｗｉ ｄ ｅ ｏ ｕ ｔ ｐｕ ｔ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ，
１ 引言
前 置放大 器因为具有提 高系统 的信噪 比、 提高信
号 传输 时抗 干扰 能 力的作 用 ，被广 泛应 用于 音频 功
２ 低噪 声 前 置 放 大 器 电路 设 计
２ ． １ 应用 要求 此 次设 计 的前 置放大 器主 要应 用于 输 入正 弦信 号幅 度± ２ Ｖ、 输 入信号带宽 １ ０ ０ Ｈｚ 、 采 样信号频率 １ ０ ０
电荷灵敏前置放大器噪声系数测量实验报告
电荷灵敏前置放⼤器噪声系数测量实验报告电荷灵敏前置放⼤器噪声系数测量实验报告班级：姓名：学号：⼀、实验⽬的1、研究电荷灵敏前置放⼤器不同功率谱的噪声成分及其特性；2、通过实验数据定量分析成形时间对等效噪声电荷（ENC）的影响，从⽽分离出各个噪声成分；3、加深对电荷灵敏前置放⼤器噪声ENC的理解，同时熟练掌握电荷灵敏前放的噪声测试⽅法以及主放和多道分析仪等常⽤核仪器的使⽤。
⼆、实验原理核辐射测量中，探测器输出的信号往往较⼩，需要加以放⼤再进⾏测量。
其中放⼤器⼜分为前置放⼤器与主放⼤器两部分。
前置放⼤器的主要作⽤有两点：1、提⾼系统性噪⽐；2、减⼩信号经电缆传送时外界⼲扰的影响。
探测器将粒⼦的信息转化成电流或电压信号后直接传⼊紧跟其后的前置放⼤器。
经前置放⼤器放⼤、成型后传输到线性放⼤器，经后续的电路处理得到粒⼦的电荷、能量、速度、时间等信息。
前置放⼤器紧跟探测器，⼀般直与和探测器做成⼀体，这样有利于提⾼信噪⽐，信号经前放放⼤，抗⼲扰能⼒增强，以⽅便较远距离的传输。
在能谱和时间测量系统中，前置放⼤器按输出信号所保留的信息特点，⼤致可以分为两类。
⼀类是积分型放⼤器，包括电压灵敏前置放⼤器和电荷灵敏前置放⼤器，它有输出信号幅度正⽐于输⼊电流对时间的积分，即输出信号的幅度和探测器输出的总电荷量成正⽐。
另⼀类是电流型放⼤器，亦即电流灵敏前置放⼤器，它的输出信号波形应与探测输出电流信号的波形保持⼀致。
前置放⼤器有多种，总的来说可以分为积分型放⼤器（包括电压灵敏前置放⼤器和电荷灵敏前置放⼤器）和电流型放⼤器（主要是电流灵敏前置放⼤器）。
电荷灵敏前置放⼤器原理图如下：图1 电荷灵敏前置放⼤器原理图由于前置放⼤器的噪声将经过主放⼤器的放⼤输出，所以其对最后信号的信噪⽐影响很⼤，本实验就是要测定前置放⼤器的噪声系数。
前置放⼤器的噪声主要包括沟道热噪声、输⼊端串联电阻噪声、晶体管沟道1/f噪声、探测器漏电流散粒噪声、反馈电阻噪声、前放输⼊晶体管漏电流散粒噪声等。
电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计_肖海军
第43卷第2期激光与红外Vol．43，No．2 2013年2月LASER＆INFRARED February，2013文章编号：1001-5078（2013）02-0190-05·电子电路·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（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030）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。
关键词：电荷灵敏前置放大器；APD；差分放大；Multisim仿真；电源噪声中图分类号：TN29文献标识码：A DOI：10．3969/j．issn．1001-5078．2013．02．016Power supply denoising design for charge-sensitive preamplifierXIAO Hai-jun，ZHANG Liu-qiang，XIAO Sha-li，LI Xian-cang，HUANG Zhen-hua （Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems attached to Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400030，China）Abstract：High gain photon detectors such as avalanche photo diode（APD）are widely used for high-sensitivity photondetection．However，the high voltage applied to these detectors often makes serious noise．In order to perform high-sen-sitive photon detection，an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed，which can reducethe power-supply noise by differential amplification．Firstly，the junction capacitance of APD is tested under variousbias voltages．Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed withMultisim software．Finally the fabricated circuit is tested．It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differ-ential input can significantly reduce the power-supply noise（both low frequency and high frequency）and realize highsensitivity．Key words：sensitive charge preamplifier；APD；differential amplification；Multisim simulation；power-supply noise1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。
新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计
第40卷第2期 2020年3月核电子学与探测技术Nuclear Electronics Detection TechnologyVol. 40 No. 2Mar. 2020新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计熊思，高超嵩％黄光明，孙向明(华中师范大学物理科学与技术学院夸克与轻子物理教育部重点实验室，武汉430079)摘要：为满足T o p m etal-S芯片研制需求，设计了一种低噪声电荷灵敏前置放大器。
该电荷灵敏前置放大器在0. 35 p m商业标准工艺上完成设计,采用单端折叠共源共栅结构，其等效输人电荷噪声约为56.47 e_，电荷转换增益为223.40 m V/fC，上升时间为633.30 n s;开环增益为74.94 dB,线性度在3. 70%以内的输入电荷范围为0~6. 50 fC。
关键词：电荷灵敏前置放大器；低噪声；T opm etal-S;等效电荷噪声中图分类号：T L821 文献标志码：A文章编号：0258 — 0934(2020)2 — 0353 — 06寻找无中微子双卩衰变是近年来核物理与 粒子物理领域的研究热点之一，通过能谱测量 和径迹重建，能够提高对本底事件的抑制能力，进而提高对无中微子双P衰变确认的准确度。
以高压气体为媒介的时间投影室（TPC)配合低 噪声的电荷读出方法是最有潜力同时实现能谱 测量和径迹重建的探测器[1]。
传统的高压气体 T P C采用电致发光技术，能够获得优越的能量分辨率，但在电荷径迹和探测器规模扩展方面存在局限性，替代方案是微网格气体探测器，但 其涉及气体雪崩增益会严重降低探测器的能量 分辨率，因此，理想的方案是无气体雪崩放大的 像素电荷读出方法。
华中师范大学硅像素实验 *收稿日期：2019—12—17基金项目：国家自然科学基金青年项目（11805080)、国 家重点研发计划项目（2016Y FE0100900)资助。
作者简介：熊思（1996—），女，江西九江人，在读硕士生，攻读方向为模拟1C设计研究。
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。
基于DMOS管的电荷灵敏前置放大器设计
流工作 点 。探 测 器 与 放 大 器 之 间 的 Ｃ起 到 隔 直作 用 ， 值 为几 千 个 ｐ 取 Ｆ量 级 。 当探 测 器 输
收 稿 日期 ：０ ８０ －８ ２ ０－ ７２
出正 比于入 射 线 能 量 Ｅ 的 电 荷 量 到 电荷 灵 敏 前置放 大器 时 ， 电荷 前 放 输 出 电压 幅 度 ＝ Ｑ／ ， Ｃ 。式 中 Ｑ 为 探 测 器 产 生 的 电 荷 量 ， Ｑ—
电容 ， 是 探 测 器 偏 置 电 阻 ， 是 反 馈 电容 Ｒ Ｃｒ
，
结构简单 。通过 采 用 Ｍｕｔ ｉ 仿真 ， 明该 电 ｌｓｍ ｉ 证 路具 有 较 快 的输 出信 号 上 升 沿 和 较 好 的稳 定
性。
与之 并联 的 Ｒｒ 反馈 电阻 。为 了保 证 Ｃｒ 是 上
电荷 的积 累 ， 般情 况 下 ， 为 ＭＱ 到 Ｇ 量 一 Ｒ， Ｑ 级 。Ｒｒ 主要有 两 个 作 用 ， 是 用 于 泄 放 Ｃ 上 一 ｒ
较好 的选择 。然 而 ， 目前 我 国核 物 理 与 粒 子 物
１ 电荷灵敏 前放的基本原理
基本 的电荷灵 敏 前置 放 大 器 原 理 图如 图 １
所示。
Ｉ ＵＴ ＮＰ
理实验 测量 读 出系 统前 端 电子学 仍多 采用 常规
分离器 件构 成 ， 发 ＡＳ Ｃ 电路 是 当 前 国 内 核 研 Ｉ
探测器 ， ＿ ２ ９ ×１ 一Ｍｅ Ｗ － ．６ ０ Ｖ。不难 推 出 ， ｏ Ｖ ｍ
ｏＱ ｃ ｃ ｃＥ。对 于 电荷 前 放来 说 ， 总 的输 人 电 其
容 Ｇｒ —Ｇ＋（＋Ａ ） ， １ 。Ｃ 。其 中 Ｃ 一Ｃ ＋Ｃ ＋ Ｄ ｓ
改进的CMOS电荷灵敏前放噪声优化设计方法
极 电容的总和 ； ｆ （ ｑｄ ； 是成形 Ｒ 一Ｒ ／ ２ ／ Ｉ） 电路的达峰时 间， ｎ 、ａ ｎ 、。口 是与成形 电路有关 的噪声指数 。
Ｅ 。 Ｃ ＋Ｃ ＋Ｃ ＋ ）／ Ｎ ｃ（ ｄ ｐ ｆ ０ｑ 所 以实现输 入 ＭＯ Ｓ管沟道 １ｆ噪声匹配 ／
的条件是 Ｃ 叩一（ ｄ ｐ ｆ， Ｌ没有另外 Ｃ ＋Ｃ ＋Ｃ）对 要求。
８１ ０
维普资讯
管工艺和种类相关 ； ｏ ＭＯ Ｃ， 是 Ｓ管单位面积栅
级的电容 ， 、 Ｗ Ｌ分别是 ＭＯ Ｓ管沟道 的宽度和
长度 １２ ＭＯ ． Ｃ Ｓ电荷灵敏前放的 Ｅ Ｃ Ｎ
沟道热噪声 的 匹配 条件 为 Ｃ， ＝Ｌ Ｉ／２ ｇ ＝ Ｄ［ｐ ＝ （ ） ， 咒 ］其中 ？－１ ｌ－ 十Ｇ。Ｃ ， 。 ￣ ／ Ｇ 是栅极下耗尽
出信号损失严重 。采用小像素 阳极可以大大减 轻空穴带来的影 响［ 但 同时也增 加 了探测器 ， 的读 出密度 目 前读出电子学的密度已经成为
限制这类探测器发展的重要因素。采用分立元
器件或商用集成 电路很难 满足读 出密度的要
求， 专用集成 电路设计是提高 电路集 成度最有 效的途径。Ｃ Ｓ 目前 集成度最高 、 ＭＯ 是 使用最 广泛的集成 电路工艺 ， 但是和结型场效应管和
２ ２ 成 形 电路 的优 化 ．
新型电荷灵敏前置放大器研制
１ 电路仿真
１ ． １ 电路 原理
电荷 灵 敏 前 置放 大器 原 理 图 见 图 １ ： 偏 置
电源经 Ｒ 与Ｃ 组成 的一阶 Ｒ Ｃ滤波电路后 降 噪， 通过偏 置 电 阻 Ｒ ： 为探 测 器 和 Ｑ 提 供 电压 。 探测器受高能射线 照射时发生电离作用 ， 在偏
大 会 导致 电荷 无法 及 时 泄 放 ， 既 会 引 起堆 积效 应， 又 会引 入较 大 的热 噪声 ； 取 值 过小 会导致 电
荷无法完全收集 ， 影响输出电压幅度。因此 ， 本 项 目采用温度稳定性较好 的电阻和电容 ， 其中 反馈电阻 Ｒ ｆ 取值为 ５ ０ ０ Ｍ ｌ ＇ ｔ ， 反馈电容 Ｃ ｆ 取值为
第３ ６卷
２ ０ １ ６年
第 ８期
８月
核 电子 学与探 测技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ８
Ａｕ ｇ． ２ ０ １ ６
元件库提供了 １ ６ ０ ０ ０ 多个组件和十余种虚拟仪 表的实际模型 ， 确保 了仿真结果 的真实性和实 用性 ｎ 】 。 因此 ， 利 用 Ｍｕ ｈ ｉ ｓ ｉ ｍ 设 计 电荷 灵 敏 前 置放大器可加快设 计进度 、 减小设计风险和降 低设计 成本 。 在核仪器中 ， 为减小探测器输 出端到输入 端之间分布电容 的影响 ， 须采用前置放大器对 信号作初步放 大 】 。电荷灵敏放 大器具 有增 益稳定、 噪声低和性能良好等优点 ， 广泛应用于 高分辨能谱测量系统 中。但是 ， 传统 电荷灵敏 放大器存在放大倍 数不高 和电路结构 复杂 等【 ４ 】 缺点。针 对这种情 况 ， 本 项 目基 于 Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ —
一种低噪声电荷灵敏前置放大器的研制_苏杭
压电源、放大电路） 总的工作电流约为 50 mA （ 相当于总功耗为 250 mW） ，远小于 USB 接口 的驱动能力（ 通常为 500 mA） 。 5. 2 信号输入输出
实测时采用信号发生器 Agilent 33250A 输 出阶跃信号，通过 1 pF 电容往放大器注入一定 电荷量的电流脉冲，来模拟探测器信号。数据 采集分别使用 TektronixDPO3054 示波器及实验 室自制的一个 12 bit 数据采集卡（ 输入幅度 － 2 ～ + 2 V，采样率为 40 MSPS） 。图 7 为输入信 号为 2 fC 时测到的一个输出波形。
图 1 电荷灵敏放大器原理图
1. 1 电荷灵敏放大级设计 在屏蔽外界干扰的情况下，如何降低电荷
灵敏放大级的噪声是提高最终输出信号信噪比 857
的关键，也是提高核探测谱仪能谱分辨的重要 措施。设计时在电荷灵敏级的输入端加入自身 噪声更低（ 相比于 AD8605） 的结型场效应管来 降低输入级噪声。图 2 为本项目设计的电荷灵 敏级电路原理图。
经测试，读出电路在 0 ～ 80 fC 之间线性良 好，对应的积分非线性为 1． 8% 。由于 AD8605 正负电源绝对值相同，电路结构也是对称的，经 测试，发现该模块在 － 80 ～ + 80 fC 之间均具有 良好的线性。
图 10 能量分辨率与信号源输入幅度关系
低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状与发展
前置放 大器广泛应用 于微弱信号检测 领 域， 根据 多级级联放大器总的噪声系数的弗里 斯公式可得 ： 级联放大器中各级噪声系数对总
１ １５ ５ ） １ ７ ２４ 。
以忽略 ， 输出电压幅值 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 Ｃ上不 断 积 累的 电荷 量 ， ， 并稳 定 反 馈 的
作者简 介 ： 彭进先 （９ ８一） 男 ， １８ ， 新疆 塔城人 ， 士研 硕
究生 ， 从事核 电子学研究 。
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
、
放大器开环时输入电容 ｃ 和电压增益等参
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 ，
结合 国内外研究 现状 阐述 了这些技术 的实际应用 。指 出 了为 满足人 们对 未知世界 的探 索 ， 来前放 将 未 向极低 噪声 、 极低功耗 、 高度集成 、 高灵敏度 、 宽带 宽的 Ａ Ｉ 片方向发展 。 ＳＣ芯 关键 词 ： 前置放大器 ； 电荷灵敏 ； 噪声 ； 键技术 ； ＳＣ 关 Ａ Ｉ
第３ ２卷
２１ ０ ２年
第 １ 期
１ 月
核 电子 学 与探测 技 术
Ｎｕ ｌａ ｅ ｔｏ ｉｓ＆ Ｄｅ ｅ ｔ ｎ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｃ ｅ ｒＥｌ ｃｒ ｎ ｃ ｔｃ ｉ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ
光电二极管电荷灵敏前置放大器设计
光电二极管电荷灵敏前置放大器设计.摘要本论文论述了将电荷灵敏放大器作为硅PIN光电二极管的前置放大电路，实现光电二极管的电荷信号转换为电压信号，并具备电压信号放大功能，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求，能够探测微弱光信号。
文中设计的电荷灵敏前置放大器采用低噪声场效应晶体管和电流型集成运算放大器构成，其等效输入噪声≤2．2keV。
该电荷灵敏前置放大电路结构简单、体积小、输出信号上升时间快、噪声低、稳定性好.关键词：硅PIN光电二极管.电荷灵敏放大器.微弱光信号检测。
Photoelectric diode sensitive chargepreamplifier designed.This paper discusses the sensitive charge amplifier as will the preamplifier circuit of photoelectric diode, photoelectric diode charge signals are converted to voltage signal, and voltage signal amplifier functions, in order to meet the low offset currents, low noise and high gain requirement, and can detect weak light signals. This paper designs the sensitive charge preamplifier with low noise field effect transistors and the current model integrated operational amplifier, the equivalent input noise than 2.2 keV. This sensitive charge preamplifier circuit is simple in structure, small volume, the output signal is rising fast time, low noise, good stability.Keywords: silicon photoelectric diode. PIN sensitive charge amplifier. Faint light signal detection。
低噪声前置放大器的正交优化设计
低噪声前置放大器的正交优化设计
罗涛;戴逸松
【期刊名称】《数据采集与处理》
【年(卷),期】1989(4)A10
【摘要】1.概述目前,前放低噪声设计的常用办法是选择低噪声晶体管。
并使信号源电阻与其最佳源电阻相匹配。
对2N4403晶体管前放,依此办法,若R_s=300kΩ,则I_c=25(R_s+R_(bb')=0.007mA。
NF=3dB。
由其测试曲线(图1)可见,该点(A 点)比可能达到的最小噪声系数(B点)大得多。
因此,作者认为,只进行阻抗匹配不能得到最佳低噪声设计。
现在,
【总页数】2页(P25-26)
【作者】罗涛;戴逸松
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.71
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PIN光电探测器低噪声前置放大电路设计
PIN光电探测器低噪声前置放大电路设计杨小优;唐政维;周平;席静;向导【期刊名称】《电子质量》【年(卷),期】2012(000)003【摘要】该文设计了一款PIN光电探测器的低噪声前置放大电路,选用低噪声器件,设计带通滤波电路,实现阻抗匹配,消除噪声。
该电路由＋15V和±5V三电源驱动,照射激光波长λ=850nm,光脉冲频率f=10kHz,光脉冲宽度τ=20ns。
通过软件仿真及实物测试,达到响应度Re（V/W）≥2×10^5,上升时间Tr（ns）≤13,暗噪声电压峰峰值VN（mV）≤10,闭环增益A（dB）≥60等指标,表明该文方法可以为低噪声前置放大电路设计提供指导。
%This paper design a low-noise photodetector preamplifier,select low-noise devices,design bandpass filter,achieve impedance match and eliminate the noise.The circuit is driven by the positive 15V、positive and negative 5V power supply,the wavelength of irradiation laser is 850nm,the pulse frequency is 10kHz,the pulse width is 20ns.By software simulation and physical testing,We get responsivity ≥2×10^5V/W,rise time≤13ns,noise voltage pk-pk≤10mV under dark background,closed-loop gain≥60dB,which indicate the method used in this paper could provide direction for the low-noise preamplifier circuit design.【总页数】4页(P43-45,55)【作者】杨小优;唐政维;周平;席静;向导【作者单位】重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065;重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065;重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065;重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065;重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TN215;TN721【相关文献】1.用于高分辨率 Si -PIN 探测器的低噪声电荷灵敏前置放大器的设计 [J], 刘洋;田华阳;何高魁;黄小健;郝晓勇;继世梁2.低噪声前置放大电路设计 [J], 胡志峰;肖剑波3.一种低噪声前置放大器的电路设计 [J], 王彬;李健;肖姿逸4.光电探测器前置放大电路设计与研究 [J], 胡涛;司汉英5.红外探测器的低噪声前置放大电路设计 [J], 江婷;李胜;高闽光;童晶晶;李妍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于CdZnTe探测器的低噪声小尺寸电荷灵敏前置放大器的设计
基于CdZnTe探测器的低噪声小尺寸电荷灵敏前置放大器的
设计
郝魁红;王化祥;赵迎春
【期刊名称】《核技术》
【年(卷),期】2007(030)005
【摘要】通过分析CdZnTe半导体射线探测器的性能,并考虑到电荷灵敏放大器的噪声特性,设计了用于便携式探测器中的低噪声小尺寸电荷灵敏放大器.在常温下,3mm×7mm×3mm的CdZnTe探测器与小尺寸电荷灵敏前置放大器探测系统对于241Am d的59.5keVγ射线的能量分辨率为4.38%.
【总页数】4页(P459-462)
【作者】郝魁红;王化祥;赵迎春
【作者单位】天津大学自动化学院,天津,300072;中国民航大学航空自动化学院,天津,300300;天津大学自动化学院,天津,300072;中国民航大学航空自动化学院,天津,300300
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.7
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第43卷第2期激光与红外Vol．43，No．2 2013年2月LASER＆INFRARED February，2013文章编号：1001-5078（2013）02-0190-05·电子电路·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（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030）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。
关键词：电荷灵敏前置放大器；APD；差分放大；Multisim仿真；电源噪声中图分类号：TN29文献标识码：A DOI：10．3969/j．issn．1001-5078．2013．02．016Power supply denoising design for charge-sensitive preamplifierXIAO Hai-jun，ZHANG Liu-qiang，XIAO Sha-li，LI Xian-cang，HUANG Zhen-hua （Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems attached to Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400030，China）Abstract：High gain photon detectors such as avalanche photo diode（APD）are widely used for high-sensitivity photondetection．However，the high voltage applied to these detectors often makes serious noise．In order to perform high-sen-sitive photon detection，an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed，which can reducethe power-supply noise by differential amplification．Firstly，the junction capacitance of APD is tested under variousbias voltages．Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed withMultisim software．Finally the fabricated circuit is tested．It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differ-ential input can significantly reduce the power-supply noise（both low frequency and high frequency）and realize highsensitivity．Key words：sensitive charge preamplifier；APD；differential amplification；Multisim simulation；power-supply noise1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。
单光子探测是以探测单个光子形成的电流脉冲为目标并通过光子计数进行光强和光谱分析的高速高灵敏度光探测技术，其核心是高灵敏度光探测器和低噪声前置放大器。
目前，单光子探测通常采用雪崩二极管（APD）光探测器，雪崩二极管具有很高的电流增益，但这种高增益必须在上百伏的偏置电压下才能实现，因此电源的微小波动必然对APD的探测信号产生巨大影响［1－2］。
传统的电荷灵敏前置放大器采用的是单端输基金项目：国家自然科学基金中国工程物理研究院联合基金项目（No．10876044）资助。
作者简介：肖海军（1986－），男，硕士研究生，主要从事光电探测，核探测电路方面的研究。
E-mail：navy2010xhj@yahoo．com．cn 收稿日期：2012-07-17；修订日期：2012-08-07入，即将APD 电流信号直接输入前置放大器的正相或负相输入端进行放大［3－6］，由于APD 具有一个小的结电容（几皮法），电源噪声将不可避免的通过该电容耦合到前置放大器中，从而使探测电路的信噪比大幅降低，这在很多时候是限制探测器灵敏度提高的一个主要障碍。
虽然偏置电源经过滤波电容、电感进行滤波，使其纹波能达到0．005%精度，温漂与时漂都可能很低，但在实际测试的上百伏电压情况下，电源噪声峰值仍可能达到几十毫伏。
可能的电源噪声和共模信号包括：①由于电源不稳定而引起的电压波动（纹波），一般为低频，很难通过滤波电容去除；②高压电源的各种噪声，包括低频的工频噪声和高频的反激噪声等，虽然可以滤除但仍有残余；③串联大电阻的热噪声和并联大电容的介电噪声；④由于电磁屏蔽不好而从电源线上串入的无线电干扰噪声。
这些共模噪声往往叠加在一起，使得探测器的噪声源变得复杂且不能忽略。
针对高灵敏度高速光探测的需要，本文提出一种差分输入电荷灵敏前置放大器设计，它能有效抑制或消除偏置高压电源的噪声，使光探测系统可以实现更高的灵敏度。
2差分输入电荷灵敏前置放大器为了抑制高压电源的噪声，采用差分输入电荷灵敏前置放大器，即将电源上的共模噪声信号通过一个与APD 结电容匹配的耦合电容输入到前置放大器的正向端，而APD 的电流信号和耦合噪声从放大器的负相端输入，由于前置放大器的差分作用，电源的共模噪声信号被相互抵消，放大输出信号仅为APD 的电流积分信号。
设计的电荷灵敏前置放大器由带有结型场效应管（JFET ）的低噪声高速运放和反馈电容构成。
图1是被动抑制下APD 工作的电路原理图。
选择带图1差分输入电荷灵敏前置放大器原理图Fig．1the principle of charge-sensitive preamplifier with differential inputJFET 输入的低噪声电压放大器OPA657做前置放大器。
反馈电容选择温度系数很小的电容，电阻也应选择性能好的金属膜电阻以减小热噪声。
可调电容KT －C 1，与电容C 2均为耐高压电容，调节KT －C 1目的是匹配APD 的结电容使输出端共模噪声最小。
对于差分输入前置放大器来说，输入电容的匹配非常关键，因此，首先必须测量出偏压作用下的APD 探测器的结电容。
通常APD 结电容可以参考器件厂商提供的数据资料，但这些数据仅仅是一些参考值，实际上每个APD 的结电容及对应的雪崩电压都不可能完全一致，因而必须通过精确的实验测试来获得。
reverse bias /V图2APD 结电容随反偏电压变化关系Fig．2the relationship of APD junction capacitancechanging with reverse bias图2是Silicon Sensor 公司提供的雪崩光电二极管AD500－8TO52的结电容随偏置电压变化的C －V 曲线，该曲线反映了结电容的大小随偏压变化的总体趋势。
为了获得该APD 器件的实际结电容，我们用示波器对不同偏压下的APD 电容进行了精确测量，其结果如图3所示。
测试数据给出的APD 结电容的变化趋势与参考曲线基本一致，但对应的偏压值有很大差别。
在偏压92 140V （140V 为雪崩电压）下，测得结电容为1．1 1．93pF （测量误差小于1pF ）。
APD结电容反偏电压/V图3实测APD 结电容变化随反偏电压变化关系Fig．3the practical relationship of APD junction capacitance changing with reverse bias假设APD 探测器输出的光电流为i 0（t ），则电荷灵敏前置放大器输出的峰值电压V 0max 近似等于191激光与红外No．22013肖海军等电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计C f 上的电压［8］，即：V 0max ≈Q C f =1C f∫t m 0i 0（t ）d t（1）其中，C f 是反馈电容；t m 是电荷积分时间。
3电路仿真采用NI 公司的仿真软件Multisim10．1进行电路仿真。
将APD 等效为理想脉冲电流源I 、导通电阻R 以及结电容C 所构成的电路。
考虑APD 电源纹波精度为0．01%，时漂和温漂均较小。
APD 工作电压设为140V ，则可能的噪声电压幅度大概在20mV 左右，因此将共模噪声等效为一个幅值20mV 频率1kHz 的交流电压源。
考虑到探测器会接受不同频率的光信号，信号源设为一系列幅值和时间间隔随机变化的脉冲电流信号，电流大小为10 100nA ，脉冲宽度在100ns 以内，两个脉冲时间间隔在500ns 5μs 之间。
APD 结电容C 设为2．2pF ，内阻R g 设为10k Ω。
一般为了将信号产生的电荷尽可能完全收集，R f 的取值应根据探测信号的频率和幅值以及匹配后级电路的需要来选取。
R f 取值过大会造成电荷在电容C f 上堆积而无法得到泄放；R f 过小又会造成电荷收集不完全，由公式（1）可知输出电压幅值将小于理论幅值；如果电容存在漏电流，则信号衰减将更严重。
图4是单端输入电荷灵敏前置放大器的电路图和仿真结果。
由于电源的噪声从APD 的结电容耦合进入前置放大器，使得输出信号叠加在一个噪声信号上面。
如果检测电流非常小或高压电源噪声较大，那么这种影响将使探测器信噪比大大降低。