CN108732606B - 数字电流多道的并联型快速电流前放系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多道脉冲幅度分析器技术领域，具体涉及数字电流多道的并联型快速电流前放系统，主要由电源部分电路和电流脉冲信号放大电路部分组成；电源部分包括两列对称部分，两列对称部分分别为正电源输入、负电源输入；正电源输入和负电源输入先分别连接π型LC滤波电路，再分别连接电子滤波电路，最后分别连接正电源芯片和负电源芯片，正电源芯片和负电源芯片分别连接运放电源去耦电路，两个运放电源去耦电路分别连接电流脉冲信号放大电路部分。本发明提供系统中光电转换器件原始快电流信号的无损读出和放大，在超高速电流信号下，信号放大的同时完整保留原始信号的时间特性和幅度特性，为数字电流多道提供测量时间谱的基础。

Description

数字电流多道的并联型快速电流前放系统
技术领域
本发明属于多道脉冲幅度分析器技术领域，具体涉及数字电流多道的并联型快速电流前放系统。
背景技术
多道脉冲幅度分析器是核能谱测量和核辐射场测量中最常用的仪器。近年来得益于大规模集成电路和可硬件编程数字器件的飞速发展，多道脉冲幅度分析器也由传统模拟脉冲幅度分析器发展到了性能更强，功能更丰富的数字多道脉冲幅度分析器。
相比于传统模拟多道脉冲幅度分析器，数字多道脉冲幅度分析器具有滤波成型能力强的特点，它可以根据实际测量中噪声的特性合成最佳滤波器提高信噪比。数字多道脉冲幅度分析器的处理速度更快，抗堆积能力更强，脉冲通过率更高。数字多道脉冲幅度分析器算法灵活，能实现诸如脉冲堆积剥离等传统模拟多道无法实现的功能。数字多道脉冲幅度分析器硬件可编程，极大的方便了系统的升级和维护。
在核辐射测量领域，有时不仅需要对信息的幅度进行分析还需要对信息的时间进行分析。结合数字多道脉冲幅度分析器的特点又提出了能同时测量核辐射的时间谱和幅度谱的数字电流多道分析器。但传统前置放大电路在信号放大过程中难以同时保留完整的时间信息和脉冲幅度信息。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公布了数字电流多道的并联型快速电流前放系统，使用该方案结合数字电流多道分析器可用于电流输出型核辐射探测器的时间谱和幅度谱双谱同时测量。
具体技术方案为：
数字电流多道的并联型快速电流前放系统，主要由电源部分电路和电流脉冲信号放大电路部分组成；
所述的电源部分电路包括两列对称部分，两列对称部分分别为正电源输入、负电源输入；所述的正电源输入和负电源输入先分别连接π型LC滤波电路，再分别连接电子滤波电路，最后分别连接正电源芯片和负电源芯片，所述的正电源芯片和负电源芯片分别连接运放电源去耦电路，两个运放电源去耦电路分别连接电流脉冲信号放大电路部分；
探测器的微弱电流信号经阻抗匹配的同轴电缆连接电流脉冲信号放大电路部分的信号输入端，电流脉冲信号放大电路部分的信号输出端连接同轴电缆输出。
进一步的，所述的电流脉冲信号放大电路部分主要由第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2级联组成；第一级快速集成运放A1为输入偏置电流极小的FET输入型运算放大器，第二级快速集成运放A2采用超高速电流反馈型运算放大器来提高整个前放的负载驱动能力；
第二级快速集成运放A2与电阻R4、电阻R5共同组成了第二级同相比例运算放大电路，用来进一步放大第一级快速集成运放A1的输出信号；
第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2还分别连接整体反馈回路，整体反馈回路由电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1共同组成。
进一步的，所述的电源部分电路的正电源和负电源的电源入口处分别设磁珠FB1、磁珠FB2；电容C2、电感L1、电容C4和电容C3、电感L2、电容C5分别组成π型LC滤波电路；电阻R7、电容C6、晶体管Q1、二极管D1和电阻R8、电容C7、晶体管Q2、二极管D2分别组成电子滤波电路；电容C8、正电源芯片IC1、电容C10和电容C9、负电源芯片IC2、电容C11分别组成运放电源去耦电路。
本发明提供的数字电流多道的并联型快速电流前放系统，具有的技术效果有：
1、数字电流多道测量系统中光电转换器件原始快电流信号的无损读出和放大。
2、在超高速电流信号下，信号放大的同时完整保留原始信号的时间特性和幅度特性，为数字电流多道提供测量时间谱的基础。
3、超高速复合电流前放有大电流低噪声稳压电源设计。
附图说明
图1是本发明数字电流多道的并联型快速前放总体设计图；
图2是本发明电流脉冲信号放大电路部分电路图；
图3是本发明电源部分电路设计图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
(1)系统总体设计
图1所示为数字电流多道的并联型快速前放总体设计图。该系统主要由虚线框外的电源部分电路和虚线框内的电流脉冲信号放大电路部分组成。所述的电源部分电路包括两列对称部分，两列对称部分分别为正电源输入、负电源输入；所述的正电源输入和负电源输入先分别连接π型LC滤波电路，再分别连接电子滤波电路，最后分别连接正电源芯片和负电源芯片，所述的正电源芯片和负电源芯片分别连接运放电源去耦电路，两个运放电源去耦电路分别连接电流脉冲信号放大电路部分；探测器的微弱电流信号经阻抗匹配的同轴电缆连接电流脉冲信号放大电路部分的信号输入端，电流脉冲信号放大电路部分的信号输出端连接同轴电缆输出。
电源部分电路为两列对称设计，正负双电源输入。正电源输入和负电源输入先分别经过π型LC滤波电路一次滤波，再分别经过电子滤波电路二次滤波，最后分别进入正电源芯片和负电源芯片第三次滤波。电源最终进入运放芯片前，在离芯片尽可能近的地方设计了运放电源去耦电路，这将有助于提高整个前放系统的稳定性并降低系统噪声。探测器的微弱电流信号经阻抗匹配的同轴电缆由“信号输入端”进入前放，经过高速电流前放电流脉冲信号放大部分对信号进行无损放大后由“信号输出”端通过同轴电缆输出。
(2)电流脉冲信号放大电路设计
图2所示为数字电流多道的并联型快速前放电流脉冲信号放大部分电路图。所述的电流脉冲信号放大电路部分主要由第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2级联组成；第一级快速集成运放A1为输入偏置电流极小的FET输入型运算放大器，第二级快速集成运放A2采用超高速电流反馈型运算放大器来提高整个前放的负载驱动能力；
第二级快速集成运放A2与电阻R4、电阻R5共同组成了第二级同相比例运算放大电路，用来进一步放大第一级快速集成运放A1的输出信号；
第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2还分别连接整体反馈回路，整体反馈回路由电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1共同组成。
该部分主要由快速集成运放A1和A2级联组成。由于将要测量的信号可能只有nA级，因此第一级快速集成运放A1使用了输入偏置电流极小的FET输入型运算放大器，第二级快速集成运放A2采用了超高速电流反馈型运算放大器来提高整个前放的负载驱动能力。第二级快速集成运放A2的存在很大程度上解决了第一级快速集成运放A1在输出信号幅度过大时带宽严重下降的问题。
输入运算放大器A1使用ADA4817-1，它具有最高1050MHz的-3dB带宽，低至2pA输入偏置电流的FET型输入结构和40mA的输出驱动能力。第二级运算放大器A2使用电流反馈型运算放大器AD8009,它拥有最高1000MHz的-3dB带宽和5500V/uS的压摆率，输出电流高达175mA。电流脉冲信号放大部分其他元件参数如下：R2＝10Ω、R3＝200Ω、R4＝250Ω、R5＝100Ω、C1＝100uF，R1可根据实际放大倍数需求灵活调整。
(3)电源部分电路设计
图3为数字电流多道的并联型快速前放电源部分电路设计图。因为该前放电路设计中电流放大部分分别使用了极高带宽ADA4817-1和超高压摆率的AD8009集成运放，电源的优劣将直接影响到放大电路的噪声和稳定性，因此必须要设计一个大电流低噪声的电源为放大器提供充足的能量。为此，而专门设计了如图3所示的复合电流前放电源电路。
所述的电源部分电路的正电源和负电源的电源入口处分别设磁珠FB1、磁珠FB2；电容C2、电感L1、电容C4和电容C3、电感L2、电容C5分别组成π型LC滤波电路；电阻R7、电容C6、晶体管Q1、二极管D1和电阻R8、电容C7、晶体管Q2、二极管D2分别组成电子滤波电路；电容C8、正电源芯片IC1、电容C10和电容C9、负电源芯片IC2、电容C11分别组成运放电源去耦电路。
电源入口处的磁珠FB1、FB2可以过滤电源线上耦合的空气中的高频噪声。电容C2、电感L1、电容C4和电容C3、电感L2、电容C5分别组成π型LC滤波电路可以过滤电源中的一部分噪声。电阻R7、电容C6、晶体管Q1、二极管D1和电阻R8、电容C7、晶体管Q2、二极管D2分别组成电子滤波器用来进一步过滤电源中的噪声电容C8、正电源芯片IC1、电容C10和电容C9、负电源芯片IC2、电容C11分别组成线性稳压电路，用来给信号放大电路提供稳定电压和过滤其余噪声。
其中，正电源输入的正电源芯片IC1使用低噪声线性稳压芯片TPS7A4700；负电源输入的负电源芯片IC2使用低噪声线性稳压芯片TPS7A3301，电子滤波器核心器件晶体管Q1和晶体管Q2分别选用FZT603TA和FZT705TA。

Claims (3)

1.数字电流多道的并联型快速电流前放系统，其特征在于，主要由电源部分电路和电流脉冲信号放大电路部分组成；
所述的电源部分电路包括两列对称部分，两列对称部分分别为正电源输入、负电源输入；所述的正电源输入和负电源输入先分别连接π型LC滤波电路，再分别连接电子滤波电路，最后分别连接正电源芯片和负电源芯片，所述的正电源芯片和负电源芯片分别连接运放电源去耦电路，两个运放电源去耦电路分别连接电流脉冲信号放大电路部分；
探测器的微弱电流信号经阻抗匹配的同轴电缆连接电流脉冲信号放大电路部分的信号输入端，电流脉冲信号放大电路部分的信号输出端连接同轴电缆输出；
所述的电流脉冲信号放大电路部分主要由第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2级联组成；第一级快速集成运放A1为输入偏置电流极小的FET输入型运算放大器，第二级快速集成运放A2采用超高速电流反馈型运算放大器来提高整个前放的负载驱动能力；
第二级快速集成运放A2与电阻R4、电阻R5共同组成了第二级同相比例运算放大电路，用来进一步放大第一级快速集成运放A1的输出信号；
第一级快速集成运放A1和第二级快速集成运放A2还分别连接整体反馈回路，整体反馈回路由电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1共同组成。
2.根据权利要求1所述的数字电流多道的并联型快速电流前放系统，其特征在于，所述的电源部分电路的正电源和负电源的电源入口处分别设磁珠FB1、磁珠FB2；电容C2、电感L1、电容C4和电容C3、电感L2、电容C5分别组成π型LC滤波电路；电阻R7、电容C6、晶体管Q1、二极管D1和电阻R8、电容C7、晶体管Q2、二极管D2分别组成电子滤波电路；电容C8、正电源芯片IC1、电容C10和电容C9、负电源芯片IC2、电容C11分别组成运放电源去耦电路。
3.根据权利要求2所述的数字电流多道的并联型快速电流前放系统，其特征在于，正电源输入的正电源芯片IC1使用低噪声线性稳压芯片TPS7A4700；负电源输入的负电源芯片IC2使用低噪声线性稳压芯片TPS7A3301，电子滤波器核心器件晶体管Q1和晶体管Q2分别选用FZT603TA和FZT705TA。
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