高分辨率能譜測(cè)量中的電荷靈敏度前置放大器噪聲抑制技術(shù)

預(yù)響應(yīng)矩陣廣泛應(yīng)用于弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。根據(jù)同級(jí)干擾矩陣總噪聲的菲里斯公式，級(jí)聯(lián)增益矩陣總噪聲的數(shù)量對(duì)總噪聲的影響是不同的。級(jí)越高，級(jí)別越大，級(jí)別越高。因此前放的作用可以概括為在獲得所需電信號(hào)(能量、時(shí)間)的同時(shí),提高信噪比,實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配。目前用在核探測(cè)器和測(cè)量系統(tǒng)中的前放主要分為電荷靈敏、電壓靈敏和電流靈敏三大類,其中電荷靈敏前放因其輸出增益穩(wěn)定、噪聲低和性能良好在高分辨率能譜測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。衡量前放的主要性能指標(biāo)有噪聲、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性、上升時(shí)間、動(dòng)態(tài)范圍等;其中,噪聲是其關(guān)鍵性的指標(biāo)。下面我們就以電荷靈敏前放為研究對(duì)象,從噪聲產(chǎn)生的根源著手,分析降噪的關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀闡述這些技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。1前壓電壓的原理和噪聲分析1.1器出線時(shí)電容c電荷靈敏前放具有良好的低噪聲性能,并且其輸出信號(hào)幅度基本上不受探測(cè)器極間電容CD、放大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電容CA和電壓增益等參數(shù)穩(wěn)定性的影響。如圖1所示,探測(cè)器輸出的電流信號(hào)用iD(t)來(lái)表示,tW為信號(hào)持續(xù)時(shí)間,考慮到CD、CA、以及連線分布電容CS,則放大器輸入端總電容Ci=CD+CS+CA。由于引入反饋電容Cf,這時(shí)從放大器輸入端來(lái)看,加反饋后輸入端總電容Cif=Ci+(1+Ao)Cf,Ao為開(kāi)環(huán)增益。當(dāng)Ao很大時(shí),(1+Ao)Cf?Ci,主要是Cf起作用,可以認(rèn)為輸入電荷Q=∫0twiD(t)dt都積累在Cf上,輸出信號(hào)電壓幅度近似等于Cf上的電壓,即:由于反饋電容可以足夠穩(wěn)定,Ci的影響可以忽略,輸出電壓幅值VoM有很好的穩(wěn)定性,因此這種前放常用于高分辨率能譜測(cè)量系統(tǒng)。為了釋放Cf上不斷積累的電荷量,并穩(wěn)定反饋的直流工作點(diǎn),常附加一個(gè)阻值較大(~109Ω)的反饋電阻Rf(泄放電阻)與Cf并聯(lián)。1.2等效電流源與舉證系統(tǒng)的關(guān)系下面以半導(dǎo)體探測(cè)器配噪聲較小的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)做輸入級(jí)的電荷靈敏前放所組成的系統(tǒng)來(lái)分析噪聲。圖2所示是探測(cè)器-前放的信號(hào)和主要噪聲源的等效電路。由于場(chǎng)效應(yīng)管的制作工藝不斷改進(jìn),柵極感應(yīng)噪聲通?？梢院雎浴D2各噪聲源的表達(dá)式如下:,探測(cè)器漏電流ID的噪聲(q為電子電荷)(2)噪聲源按其在電路中的位置分為并聯(lián)電流噪聲源和串聯(lián)電壓噪聲源。并聯(lián)電流噪聲源:與信號(hào)源iD并聯(lián)。因放大器輸出阻抗通常很小,對(duì)于來(lái)說(shuō),就相當(dāng)于并聯(lián)在放大器的輸入端,即Rf的電流噪聲也可近似看做與信號(hào)電流源并聯(lián)。串聯(lián)電壓噪聲源:為等效在輸入端的串聯(lián)電壓噪聲源。按串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源對(duì)輸出端的貢獻(xiàn)來(lái)分析,二者具有等效關(guān)系。不妨把串聯(lián)電壓等效為并聯(lián)電流,等效關(guān)系式為:C∑=CD+CS+CA+Cf,它是并聯(lián)在前放輸入端的不計(jì)及放大作用的總電容,故稱為“冷電容”。則的等效電流源為:為了便于分析計(jì)算,把噪聲源全等效為并聯(lián)電流噪聲源,則輸入端總的并聯(lián)電流噪聲:可以將前放的輸入端總的并聯(lián)電流噪聲等效為輸出的電壓噪聲,如圖3所示。電荷靈敏前放輸出電壓相當(dāng)于輸入電流的頻率響應(yīng),又Rf很大,Rf的并聯(lián)作用可以忽略,其關(guān)系式為:將(11)代入(12)式得由(13)式可得,噪聲與溫度T、場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm、冷電容C∑、場(chǎng)效應(yīng)管柵極漏電流Ig、場(chǎng)效應(yīng)管常數(shù)Af、反饋電阻Rf和負(fù)載電阻RD、探測(cè)器漏電流ID、信號(hào)帶寬等九項(xiàng)參數(shù)有關(guān)。在設(shè)計(jì)前放時(shí),應(yīng)該從這幾方面著手,具體來(lái)說(shuō)就是在滿足要求的情況下降低帶寬,降低前放的工作溫度,降低流過(guò)芯片的電流,減小冷電容C∑,降低反饋電阻Rf,而場(chǎng)效應(yīng)管常數(shù)Af、場(chǎng)效應(yīng)管柵極漏電流Ig、場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm都是與芯片制作材料和工藝有關(guān)的量。此外,工藝的提升必然會(huì)減小流過(guò)芯片內(nèi)部的平均直流電流,從而減小場(chǎng)效應(yīng)管柵極漏電流的噪聲。所以,新材料、新工藝是一項(xiàng)綜合降噪技術(shù),文中將單獨(dú)進(jìn)行分析。另外,信號(hào)帶寬不可能無(wú)限制的降低,而有時(shí)為了研究的需要必須設(shè)計(jì)寬帶寬的前放。2降低前放聲的關(guān)鍵技術(shù)2.1不同溫度對(duì)熱噪聲的影響根據(jù)(5)、(7)和(13)式可得,降低溫度可以有效地降低芯片內(nèi)部的電阻熱噪聲和場(chǎng)效應(yīng)管的溝道熱噪聲。在電阻和信號(hào)帶寬不可改變的情況下,可使前放工作于極低溫度。為了使效果比較明顯,必須使溫度大幅度地降低。例如,把電阻浸在液氮中(77K)才能使其熱噪聲電壓有效值降低約一半。此外,降低溫度可以有效降低場(chǎng)效應(yīng)管的溝道熱噪聲,特別的,在一定低范圍內(nèi),跨導(dǎo)gm要比常溫大一倍左右,從而極大的降低了溝道熱噪聲;同時(shí),低溫使柵極漏電流Ig減小,根據(jù)(4)式,柵極的漏電流噪聲也就得到改善。2010年,AlbertoPullia等意大利人把基于JFET-CMOS的快速電荷靈敏前放和高純度鍺探測(cè)器置于液氮(77K)中,電路如圖4所示,電路采用了成熟的5V、0.8μmSiCMOS技術(shù),Si-JFET作為輸入級(jí);當(dāng)CD≈60pF時(shí)(1.332MeV60Co),時(shí)間常數(shù)τ=6μs,能量分辨率為1.6keV,輸出信號(hào)的上升時(shí)間tR<20ns,增益比較穩(wěn)定,而室溫時(shí)tR>34ns。低溫使得系統(tǒng)的性能有了很大提高。2.2fpga圖像集成前放前放內(nèi)部有大量的PN結(jié),產(chǎn)生的散彈噪聲對(duì)總的噪聲貢獻(xiàn)非常大。根據(jù)(4)和(13)式,降低場(chǎng)效應(yīng)管柵極漏電流Ig可以降低其產(chǎn)生的散彈噪聲,同時(shí)可以大大降低系統(tǒng)的功耗。意大利F.Evangelisti、G.Orsi和G.Ventura三人在1972年就研制出了電源12V、功耗僅為42mW的電荷靈敏前放;其目的是搭載在衛(wèi)星上,用于空間輻射研究。噪聲測(cè)試結(jié)果為:時(shí)間常數(shù)τ=5μs時(shí),零電容等效噪聲線寬為0.91keV,噪聲斜率為0.043keV/pF。事實(shí)上,在此之前,功耗為100mW的前放才剛剛問(wèn)世,在時(shí)間常數(shù)τ=1μs時(shí),零電容噪聲為1.8keV,噪聲斜率為0.047keV/pF。降低流過(guò)芯片內(nèi)的平均直流電流可以有效的降低噪聲。2009年,EmanueleBottino等意大利人研制了低噪聲、低功耗、0.35μmCMOS工藝的集成前放,目的是記錄細(xì)胞外二乙基溴乙酰胺的位置信號(hào)。其功耗僅4.5μW,電源±1.65V,流過(guò)的電流僅1.36μA,共模抑制比61.7dB,芯片大小僅0.13mm2。對(duì)比不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)芯片內(nèi)部流過(guò)的平均電流降低時(shí),噪聲(主要是散彈噪聲)明顯降低。目前,由于芯片制作水平的不斷提高,使得功耗越來(lái)越低,噪聲也越來(lái)越低。2.3單級(jí)低噪聲前放放大器的最佳源電阻為:這時(shí)可以達(dá)到的最小噪聲系數(shù)為式中,eN和iN分別為前放的等效輸入電壓噪聲和等效輸入電流噪聲的平方根譜密度,等效噪聲模型如圖5所示。由(15)式可得,在選擇器件時(shí),應(yīng)該盡量選用eNiN小的器件,這樣才能達(dá)到最小的噪聲系數(shù);根據(jù)探測(cè)器輸出電阻RS的大小,要選用合適類型的器件,以使RS≈RSO,以便在直接耦合方式下達(dá)到噪聲匹配,使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值Fmin。2011年,北京大學(xué)曹學(xué)明等人為核磁共振成像(MRI)研制了一款低噪聲的前放,它是用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管ATF33143制作的單級(jí)低噪聲前放。如圖6所示,電路主要由輸入級(jí)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)、放大管和輸出級(jí)增益匹配網(wǎng)絡(luò)組成。文中,作者提出了一個(gè)3元件的噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)方案,用以變換50Ω信號(hào)源阻抗為FET的最佳源阻抗,以使前放的噪聲系數(shù)達(dá)到最小,并具有可觀的增益;在頻率為128MHz時(shí),增益G=25dB,噪聲系數(shù)NF=0.43dB。2.4調(diào)整輸入電容由(8)、(9)、(10)式,降低冷電容C∑可以降低場(chǎng)效應(yīng)管溝道熱噪聲和場(chǎng)效應(yīng)管的閃爍噪聲。又由(13)式知,冷電容C∑對(duì)總的噪聲貢獻(xiàn)非常巨大,甚至要超過(guò)其它因素。除了CD、CA外,CS可采用輸入級(jí)緊靠探測(cè)器的辦法來(lái)減少,Cf則采用合適的反饋電容。若Cf大則噪聲大,而Cf過(guò)小,反饋深度相應(yīng)較小,這會(huì)使輸出穩(wěn)定性變壞,兩者都將使能量分辨率降低,故常選用溫度系數(shù)小的高壓陶瓷電容器作為反饋電容。此外,還要盡量選輸入電容CA較小的放大器。例如TI公司的OPA1611,CA=8pF(差模)或2pF(共模);MAXIM的MAX410,CA=4pF,在選擇芯片時(shí)要根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn),在已知輸入為共模信號(hào)時(shí)應(yīng)選擇OPA1611。3采用新方法、新材料、新技術(shù)正如前面所說(shuō),新材料、新工藝是一項(xiàng)綜合降噪技術(shù),而新方法則是巧妙運(yùn)用已有的技術(shù),有時(shí)也可以達(dá)到非常好的效果。3.1羅戈夫斯基線圈由于超導(dǎo)量子干涉皮伏計(jì)(SQUIDpicovoltmeter)具有極低的噪聲,尤其是對(duì)源阻抗較低的傳感器性能更加優(yōu)越。2002年,ThomasEriksson等人發(fā)現(xiàn)了這一特性,創(chuàng)造性的把超導(dǎo)量子干涉皮伏計(jì)(SQUIDpicovoltmeter)用于羅戈夫斯基線圈(Rogowskicoil)傳感器的前放。噪聲電壓平方根譜密度eN=110pV/Hz1/2,帶寬為250kHz。而法國(guó)D.Yvon等11名學(xué)者研究電阻式測(cè)輻射熱儀時(shí),提出了在電流靈敏前放中使用低溫-鎖定技術(shù),電路使用了冷JFET器件(coldJFETs),事實(shí)證明它具有很低的噪聲,可以檢測(cè)到源電阻的約翰遜噪聲(1fA/Hz1/2)。2010年,意大利學(xué)者AlbertoPullia和FrancescaZocca研制出了自動(dòng)相消補(bǔ)償、時(shí)間常數(shù)可調(diào)的電荷靈敏前放,電路原理圖如圖7所示,電路采用FET做輸入級(jí)的典型電路,有興趣的讀者可以參考原文獻(xiàn)。在CD=0pF,時(shí)間常數(shù)τ=3μs時(shí),等效噪聲線寬為650eV(Ge),等效噪聲電荷ENC=94e,動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)86dB,其性能非常適合鍺探測(cè)器對(duì)γ的高分辨率探測(cè)。3.2場(chǎng)效應(yīng)管的設(shè)計(jì)及結(jié)果目前,許多新的半導(dǎo)體材料被用來(lái)做研究。實(shí)驗(yàn)表明,一些半導(dǎo)體材料有比普通材料更低的噪聲,用這些材料做成低噪聲器件非常適合。1991年,D.V.Camin等意大利人用砷化鎵制作的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)了電荷靈敏前放,實(shí)驗(yàn)中,用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管SGM20006M代替場(chǎng)效應(yīng)管3SK164,這克服了原來(lái)信號(hào)成形時(shí)間長(zhǎng),分辨率低等缺點(diǎn),噪聲測(cè)試結(jié)果為:在探測(cè)器電容CD=400pF,輸入電阻為22Ω,液氮溫度下(77K),時(shí)間常數(shù)τ=100μs,ENC=5500e,非線性<0.2%。ClaudioArnaboldi等人在2003年嘗試了鍺化硅雙極型晶體管(SiGebipolartransistors)做成的電荷靈敏前放,常溫下信號(hào)脈沖時(shí)間常數(shù)達(dá)幾十ns級(jí),上升時(shí)間tR=6ns。3.3超深亞大米cdh的噪聲試驗(yàn)研究芯片內(nèi)部噪聲不僅和半導(dǎo)體材料有關(guān),還與具體的制作工藝有關(guān)。芯片制作工藝決定了芯片的內(nèi)部噪聲。2005年,清華大學(xué)鄧智等人采用了0.6μmCMOS工藝完成了低噪聲電荷靈敏前放的ASIC的設(shè)計(jì)和測(cè)試,電路面積為260μm×210μm,功耗僅15.9mW,噪聲測(cè)試結(jié)果為:在時(shí)間常數(shù)τ=1μs時(shí),零電容噪聲為1377.1e,斜率為43.7e/pF。2009年,0.18μmCMOS工藝3.1~5.2GHz低噪聲放大器研制成功,噪聲因數(shù)NF<3.1dB。同年,一種高線性GaAspHEMT寬帶低噪聲放大器研制成功,在0.3GHz~2.2GHz頻帶內(nèi)增益高于12dB,噪聲系數(shù)在1.04~1.43dB之間。2009年,LodovicoRatti等意大利學(xué)者在其發(fā)表的論文中,更加細(xì)致地討論了超深亞微米CMOS工藝的電荷靈敏前放的噪聲模型和電路優(yōu)化設(shè)計(jì);此模型分別應(yīng)用于90nm和130nmCMOS工藝的電路測(cè)試,結(jié)果表明:后者的噪聲電荷明顯要高于前者。文中雖然只討論了兩種尺寸的CMOS工藝技術(shù),但是噪聲模型同樣可以應(yīng)用于其他的超深亞微米CMOS工藝。4聲放大器性能對(duì)比美國(guó)ORTEC公司和Canberra公司是研發(fā)和生產(chǎn)低噪聲前放的主要廠商。ORTECModels142A和Canberra2002C性能如表1所示。低噪聲放大器以美國(guó)的TI公司和MAXIM公司為代表,取兩家公司的低噪聲放大器性能對(duì)比,如表2所示。由(15)式知,同等條件下,應(yīng)選擇eNiN小的芯片,如OPA211,這樣引入的噪聲最小,但是往往要綜合考慮其他因素而不得不做出其他選擇。首先,各大公司都在向著低噪聲、高速、高分辨率、寬帶寬、高集成度等方向努力,科技的發(fā)展使得這些優(yōu)良性能可以兼得;其次,目前市場(chǎng)上很難找到高端的國(guó)產(chǎn)低噪聲器件,基本被國(guó)外大公司壟斷;最后,盡管芯片的噪聲性能已經(jīng)有了一定的水平,但是仍有很大的進(jìn)步空間。5asic芯片發(fā)展趨勢(shì)本文詳細(xì)介紹了電荷靈敏前放的原理,分析了主要的噪聲源并給出了總的噪聲表達(dá)式,根據(jù)理論推導(dǎo)提