基于光電倍增管的低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)及其信號(hào)處理*

葉莉華，汪海洋，王文軒，陸錦程，崔一平*，沙 濤，杭建軍

(1.先進(jìn)光子學(xué)中心，電子科學(xué)與工程學(xué)院，東南大學(xué)，南京210096;2.電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京理工大學(xué)，南京210094;3.南京文采科技有限責(zé)任公司，南京210017)

光電倍增管是一種能將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。其探測(cè)能力可以接收到一個(gè)光子并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。經(jīng)過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)換的信號(hào)還比較微弱，很容易受到噪聲的干擾。低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)就是把夾雜噪聲的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，抑制工作環(huán)境中的噪聲，提高信號(hào)和噪聲的比值，即提高信噪比，但是在提高信噪比的同時(shí)，將會(huì)使頻率特性變壞，這兩者要兼顧考慮。低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)從兩方面考慮:一是選擇合適的器件，二是設(shè)計(jì)合適的電路形式。從而設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高，可靠性好的高性能的電路。

1 光電倍增管

1.1 光電倍增管簡(jiǎn)介

光電倍增管PMT(Photomultipler Tubes)是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)的探測(cè)器。光電倍增管有兩種基本工作模式:單光子計(jì)數(shù)和電流感應(yīng)。系統(tǒng)在每秒百萬(wàn)個(gè)光子以下為單光子模式，超過(guò)之后為電流感應(yīng)，單光子計(jì)數(shù)不適用于強(qiáng)光信號(hào)［1］。光電倍增管的輸出電流一般為10 nA～300 μA，其中在探測(cè)應(yīng)用中輸出的電流一般在10 nA～100 nA。光電倍增管有兩種接地模式，一種是是陰極接地，陽(yáng)極加正高壓，適用于單光子計(jì)數(shù)模式。一種是陽(yáng)極接地，陰極加負(fù)高壓的方法，適用于電流感應(yīng)工作模式。

1.2 PMT的選型及應(yīng)用

PMT選型時(shí)，最重要的幾個(gè)參數(shù)是光陰極的光譜響應(yīng)范圍，陰極光照靈敏度和暗電流［2］。一般來(lái)講，要選擇所需要的光譜響應(yīng)范圍即可，陰極光照靈敏度越高越好，暗電流越小越好。在應(yīng)用時(shí)，要注意的是在使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，使用量子效率高的PMT，并且在不影響工作的前提下，波長(zhǎng)范圍越窄越好。為獲得好的信號(hào)輸出，要提高光的收集效率，在接收光時(shí)，要使光均勻的投在PMT陰極接收窗口上，可以延長(zhǎng)PMT的使用壽命和輸出可靠的信號(hào)。在PMT上電后，要等待0.5 h之后再測(cè)量數(shù)據(jù)，因?yàn)閯偵想姾?，PMT的暗電流大，噪聲大，輸出的信號(hào)沒(méi)有可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)注了以上幾個(gè)注意事項(xiàng)之后，會(huì)提高PMT的信噪比，PMT可以有效可靠地輸出信號(hào)。在本項(xiàng)目中，PMT選用的是濱松公司的CR131，可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，輸出良好的信號(hào)。

2 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)放的選型

對(duì)于低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，運(yùn)放的選型是很重要的，選到適合的運(yùn)放，可以使設(shè)計(jì)事半功倍。運(yùn)放本身會(huì)存在噪聲，本身的內(nèi)部噪聲是不可以消除的。在設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器時(shí)，最優(yōu)先考慮的參數(shù)是噪聲電壓En和噪聲電流In［3］，然后考慮的是增益帶寬積(GBW)，GBW=Af×f，其中Af為信號(hào)增益，f為頻率。雖然GBW值越大越好，不過(guò)GBW值較大的運(yùn)算放大器其他功能普遍偏弱.在滿足帶寬要求的前提下，高輸入阻抗、高共模抑制比、低輸入偏置、低噪聲是主要的設(shè)計(jì)選型因素.另外一個(gè)值得注意的參數(shù)是壓擺率SR(Slew Rate)，

其中f為信號(hào)的帶寬，Vp-p為信號(hào)的峰峰值。沒(méi)有足夠的壓擺率，信號(hào)會(huì)失真。

此外，在選運(yùn)放時(shí)，很重要的一個(gè)參數(shù)是偏置電流IP，IP的值一般選pA級(jí)，從而能夠讓PMT輸出的電流不至被IP淹沒(méi)，從而能讓信號(hào)信號(hào)順利輸出。

2.2 多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

在低噪聲多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中，最重要的是第一級(jí)。多級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)如下式所示:

其中Api為信號(hào)輸入功率和輸出功率比值［4］。NF為各級(jí)運(yùn)放的噪聲系數(shù)，噪聲系數(shù)愈大，電路中噪聲越大，從式(2)可以看出，第一級(jí)放大電路決定了整個(gè)放大電路性能的好壞。

2.3 放大電路的噪聲估算

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行噪聲估算是必要的，這樣可以把器件本身所存在的噪聲對(duì)電路的影響減小到最低。本項(xiàng)目所采用的是I/V轉(zhuǎn)換電路，圖1為運(yùn)放噪聲模型［5］。

圖1 運(yùn)放噪聲模型

(2)電阻Rf與放大器的噪聲電流密度之積:

(3)電阻Rf的溫度噪聲:

總輸入噪聲電壓密度為:

輸出的噪聲總電壓為:

利用此式可預(yù)估芯片及電阻所帶來(lái)的噪聲，從而為芯片選型帶來(lái)方便。

2.4 反饋電阻和補(bǔ)償電容的選擇

首先為了減小器件本身的熱噪聲，就要選擇噪聲小的器件。電阻的熱噪聲因不同的材質(zhì)噪聲的大小不同，其中金屬膜電阻的熱噪聲最小。同時(shí)，同樣阻值大小的電阻，由于功率越大的電阻散熱性越好，所以功率越大的噪聲也越小。反相放大器容易產(chǎn)生震蕩，震蕩的原因是輸入電容和負(fù)載電容(還包括耦合電容和旁路電容)會(huì)導(dǎo)致相位滯后，要消除震蕩，需要相位補(bǔ)償，就在反饋電阻上并聯(lián)超前補(bǔ)償電容，即在圖2中電阻上并聯(lián)一電容對(duì)電路進(jìn)行相位補(bǔ)償［6］。電容本身理論上不會(huì)有噪聲，但是在實(shí)際應(yīng)用中，電容等效為電容和電感以及電阻的串聯(lián)，也會(huì)引進(jìn)噪聲。同時(shí)不同介質(zhì)的電容適用的頻率范圍不同。RC電路中，通過(guò)阻抗來(lái)計(jì)算RC電路所帶來(lái)的噪聲。RC并聯(lián)電路的阻抗為

式(7)實(shí)部為電阻部分，可以看出，電容越大，噪聲越小。但是由于帶寬的原因，f=1/2πRC，R越大，噪聲越大，穩(wěn)定性越差，但是信噪比會(huì)提高，這時(shí)選用溫度系數(shù)高的電阻會(huì)較為理想。所以要綜合考慮電阻電容的取值。

圖2 低噪聲前置放大器原理圖

2.5 PCB板布局連線以及屏蔽

由于在應(yīng)用環(huán)境中，有很多噪聲來(lái)源，應(yīng)該從光路和電路兩方面對(duì)噪聲加以抑制。在電路方面，光電倍增管及其低噪聲前置放大器必須用金屬外殼來(lái)屏蔽;在光路方面，可以通過(guò)穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或?yàn)V色光片，本項(xiàng)目中光路采用了濾色光片。另外，摩擦電，外界振動(dòng)、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移。要盡可能嚴(yán)格的連接，避免電纜的振動(dòng)。優(yōu)質(zhì)的低噪聲或地滲露電纜也可縮減泄露電流，并盡可能縮短電纜長(zhǎng)度。在制作PCB板時(shí)，元件布局合理，分布均勻，走線盡量短，電源線遠(yuǎn)離地線、信號(hào)線，電路板上下層要有適當(dāng)大面積的敷銅，同時(shí)也要注意注意光電倍增管信號(hào)傳輸電纜的正確接地，放大器輸入信號(hào)回路的正確接地，去耦電容的合理選用，漏電流的減小或消除［7-8］。

2.6 放大電路設(shè)計(jì)原理圖

通過(guò)應(yīng)用上面的原則，所選運(yùn)放的型號(hào)為ADA4891，擺率為170 V/μs，帶寬為 220 MHz，本設(shè)計(jì)所需擺率從式(1)可以計(jì)算出。為滿足設(shè)計(jì)要求，光電倍增管的接地方法是陽(yáng)極接地，陰極加負(fù)高壓。用低噪聲的同軸電纜和此電路直接耦合。本電路采用了兩級(jí)放大電路，通過(guò)的帶寬為10 MHz。第1級(jí)為I/V轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)放反向端未接匹配電阻，是因?yàn)檫\(yùn)放的偏置電流比較大，加了匹配電阻，產(chǎn)生的失調(diào)電壓比較大;第2級(jí)為同相放大。R1選值為3.3 kΩ，C選值為2 pF，第2級(jí)取放大倍數(shù)為10，選值為kΩ級(jí)。第1級(jí)和第2級(jí)采用了直接耦合，第1級(jí)和第2級(jí)的耦合也可采用阻容耦合。此外，運(yùn)放應(yīng)為雙電源供電，才能處理PMT輸出的負(fù)電流信號(hào)。兩級(jí)系統(tǒng)的原理圖和頻率響應(yīng)如圖2和圖3所示。

圖3 低噪聲前置放大器的幅頻響應(yīng)

從圖中我們看到，此系統(tǒng)將能夠順利通過(guò)帶寬10 MHz的信號(hào)，并且十分穩(wěn)定。

此外，前置運(yùn)放的電源要很穩(wěn)定，PMT輸出的信號(hào)本身就小，若電源的波動(dòng)太大，不穩(wěn)定，信號(hào)就不能有效的提取出來(lái)。電源方案可先用電源適配器把市電轉(zhuǎn)化為弱電電路可用電壓，然后通過(guò)DCDC提高電源的效率和帶負(fù)載能力，接著通過(guò)低噪聲LDO可減小DCDC輸出電壓的紋波和噪聲，最后可通過(guò)RC濾波電路或有源濾波電路可進(jìn)一步減小紋波，以給低噪聲前置放大器提供穩(wěn)定度高的電源。

3 后續(xù)電路處理

上述運(yùn)放設(shè)計(jì)把信號(hào)放大，后面對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以完成信號(hào)采樣。調(diào)理電路的原理框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)理電路原理框圖

通過(guò)比較器A1，用單路信號(hào)輸入，兩路信號(hào)輸出來(lái)控制兩路模擬SW1、SW2開(kāi)關(guān)，兩路信號(hào)為反相，當(dāng)一路開(kāi)的時(shí)候，另一路閉合，以此來(lái)完成電容的充放電［9］。本項(xiàng)目的積分周期為250 ns，完成 A/D采樣4 MHz的需求。比較器和模擬開(kāi)關(guān)選型時(shí)，它們的開(kāi)關(guān)速度在25 ns左右或以下，即開(kāi)關(guān)速度越快越好。積分電路要盡量小的減小積分誤差，從3個(gè)器件考慮:電阻，電容，積分運(yùn)放。其中積分電阻的精度為1%，溫度系數(shù)為1×10-6，以此來(lái)減小積分誤差;選用泄漏電流小的電容，如薄膜電容、聚苯乙烯電容，可以減少積分電容的漏電流產(chǎn)生的積分誤差。積分運(yùn)放的失調(diào)電壓，偏置電流和失調(diào)電流都要比較小，才能有效的減小積分誤差。

PMT輸出為負(fù)電流，通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換成正電壓，用第二級(jí)運(yùn)放同相放大，再用積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，能夠把噪聲完全消除，輸出無(wú)噪聲干凈的信號(hào)。至此，完成了信號(hào)的調(diào)理。

4 結(jié)束語(yǔ)

光電倍增管的低噪聲前置放大電路是后續(xù)處理電路的接口，這個(gè)關(guān)鍵部分如果設(shè)計(jì)好，將是一個(gè)良好的開(kāi)端，為信號(hào)處理帶來(lái)很多方便。本電路應(yīng)用于基于激光掃描的煙葉異物分揀系統(tǒng)，也同樣適用于其他光電檢測(cè)場(chǎng)合的需要。

［1］彭榆偉，王永平，陶艷.CA3140在光電倍增管微弱電流處理中的應(yīng)用［EB/OL］.中國(guó)論文在線.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200805-836.［2008-05-29］.

［2］Photomultipler Tubes Basic and Applications［M］.Edition 3a.Hamamatsu Photonics K.K.Electron Tube Division，August 2007.

［3］［美］賽爾吉?dú)W·佛郎哥，劉樹(shù)棠，朱茂林.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)［M］.3版.西安:西安交通大學(xué)出版社，2004.

［4］何兆湘.光電信號(hào)處理［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2008

［5］［日］松井邦彥著，鄧學(xué).OP放大器應(yīng)用技巧100例最佳選擇與靈活運(yùn)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006

［6］胡濤，司漢英.光電探測(cè)器前置放大電路設(shè)計(jì)與研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25(1):52-55.

［7］周勝海，郭淑紅.基于低噪聲運(yùn)放的傳感前置放大器設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006，9:38-40.

［8］劉彬，張秋蟬.光電檢測(cè)前置放大電路的設(shè)計(jì)［J］.燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27(3):193-196.

［9］［日］內(nèi)山明治，村野靖著.運(yùn)算放大器電路［M］.陳鏡超.北京:科學(xué)出版社，2009.