CN114217343A - 一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核辐射探测领域，提供一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，包括低噪声处理电路、电荷灵敏放大电路、相位补偿电路、电压放大电路；所述低噪声处理电路，利用场效应管的开断特性，用于开关控制电路的开断，同时对信号进行初级反向放大；所述电荷灵敏放大电路，用于将场效应管处输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号；所述相位补偿电路，用于相位补偿；所述电压放大电路包括反向电压放大和差分放大，用于放大信号至便于观测状态。本发明将半导体前端传感器的输出信号经过场效应管低噪声处理、电荷灵敏放大处理、相位补偿、反相电压放大以及差分放大后，获得高精度信号，有利于核探测器小型化、便携式、低功耗、高信噪比的发展。

Description

一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路
技术领域
本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路（前端放大电路），适用于半导体探测器。
背景技术
核辐射一般有α、β以及γ三种射线，当其大量或者长期辐射于生物体会产生严重损害，因此利用辐射探测技术对核辐射剂量进行测量是非常必要的。常用的核辐射探测器是利用传感器将核辐射转变成电子信号，进而通过电子学的方法输出为人们便于观察的信号，这就要求核辐射探测器具有高准确度、高灵敏度以及高稳定性等性能指标。目前核辐射探测器前放电路设计往往需要在功耗、信噪比以及探测效率之间权衡，例如使用双极性电源供电（增加功耗）或是减少放大倍数（损失探测效率）以获得信噪比较好的信号。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，将半导体前端传感器的输出信号经过场效应管低噪声处理、电荷灵敏放大处理、相位补偿、反相电压放大以及差分放大后，获得高精度信号，有利于核探测器小型化、便携式、低功耗、高信噪比的发展。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下。
一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，包括依次相连的低噪声处理电路、电荷灵敏放大电路、相位补偿电路、电压放大电路；
所述低噪声处理电路，利用场效应管的开断特性，场效应管位于隔直电容之后，用于开关控制电路的开断，同时对信号进行初级反向放大；
所述电荷灵敏放大电路，用于将场效应管处输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号；
所述相位补偿电路，用于相位补偿；
所述电压放大电路包括反向电压放大电路和差分放大电路，用于放大信号至便于观测状态。放大倍数为两级增益之积，能使用较小的阻值实现高增益，较大的电阻存在不稳定性以及热噪声大的缺点。
在上述技术方案中，所述低噪声处理电路的场效应管采用3DJ7G，输入信号经隔直电容C7接场效应管的栅极，场效应管的栅极接电阻R19后接地，当无信号通过时，R19保证场效应管栅极电压稳定，增加系统的稳定性。
场效应管的漏极接上拉电阻R15，场效应管的源极接电阻R20接地，电阻R20并联电容C15，电阻R20为场效应管放大倍数反馈电阻。
3DJ7G由于漏源极饱和电流（IDSS）只有2mA，因此上拉电阻R15的选择范围更宽，在增加上拉电阻阻值时，对脉冲信号能够提供更大的放大倍数，同时由于其本身的低噪声特性，能获得更好的信噪比。
在上述技术方案中，所述电荷灵敏放大电路的运算放大器采用AD8039，其噪声水平低至8𝑛𝑉√𝐻𝑧，压摆率为425𝑉/𝑢𝑠。
在上述技术方案中，所述相位补偿电路的相位补偿电容C16连接在电荷灵敏处理之后，与电阻R21组成低通滤波电路，抑制信号中的高频噪音。
在上述技术方案中，所述差分放大电路的差分放大器采用THS4131，其噪声水平为1.3 𝑛𝑉√𝐻𝑧，压摆率为51𝑉/𝑢𝑠，同时其输出端的差分结构能够抑制耦合噪声。
在上述技术方案中，所有元器件供电方案均使用单电源+5V供电，经过实验测量，电路整体功耗仅为5mA。
本发明相比于现有前放电路设计，具有如下突出优点：
1.有利于核探测器发展趋于小型化、便携式、高精度。
2.场效应管使用3DJ7G，噪声更低，漏源级电流更小，通过增加上拉电阻阻值能获得更好的信噪比。
3.本方案不仅仅局限于PIPS前端传感器，该电路原理同样适用于其他半导体（如MSND）前端传感器，适用面广，同时成本低。
附图说明
图1为本发明电路的具体电路连接图。
图2为使用本发明前放电路利用PIPS传感器测量241AM示波器输出图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其电路具体组成有：
（1）电阻R2、R5及传感器等效内阻共同组成的分压系统，可通过调节两者电阻阻值调节传感器的供电电压，以PIPS为例，R2=300KΩ，R5=1MΩ时，PIPS能获得4.5V的供电电压，满足其正常工作电压范围。
（2）以场效应管J3为核心组成的低噪声处理电路，所述低噪声处理电路的场效应管采用3DJ7G，输入信号经隔直电容C7接场效应管的栅极，场效应管的栅极接电阻R19后接地，当无信号通过时，R19保证场效应管栅极电压稳定，增加系统的稳定性。
场效应管的漏极接上拉电阻R15，场效应管的源极接电阻R20接地，电阻R20并联电容C15，电阻R20为场效应管放大倍数反馈电阻。
利用场效应管的开断特性，当无信号通过时，电容C7为隔直电容，使场效应管栅极电压为零，场效应管截止；当传感器端接收到放射源信号并将其转换成脉冲信号输出时，根据N型场效应管特性，状态由截止变为导通，对信号进行反向放大。在常见的设计中，该处场效应管一般使用2N4416，其漏源级饱和电流最小为5mA，这就导致过大的上拉电阻会使信号失真。本实施例中选用3DJ7G，该场效应管在满足低噪声的同时，漏源级饱和电流仅为2mA，可增加上拉电阻阻值来获得更好的增益效果，提高信噪比。
（3）以运算放大器U1A为核心组成的电荷灵敏放大电路，运算放大器U1A选用ADI公司的AD8039，其噪声水平低至8𝑛𝑉√𝐻𝑧，压摆率为425𝑉/𝑢𝑠，性能参数表现优异，且支持+5V供电。
（4）相位补偿电容C16，同时与电阻R21组成低通滤波电路，抑制信号中的高频噪音，提高信噪比，截止频率可通过具体使用环境进行调节参数。
（5）电压放大电路，为反向电压放大电路与差分放大电路两步分开进行，放大倍数为两级增益之积，能使用较小的阻值实现高增益，较大的电阻存在不稳定性以及热噪声大的缺点。
差分放大器选用TI公司的THS4131，其噪声水平为1.3 𝑛𝑉√𝐻𝑧，压摆率为51𝑉/𝑢𝑠，同时其输出端的差分结构能够抑制耦合噪声。并且以差分形式进行输出，可适用更多外部接口。
电荷灵敏放大电路和反向电压放大电路均使用单电源+5V供电，+2.5V为信号的电压基准电压。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：包括依次相连的低噪声处理电路、电荷灵敏放大电路、相位补偿电路、电压放大电路；
所述低噪声处理电路，利用场效应管的开断特性，场效应管位于隔直电容之后，用于开关控制电路的开断，同时对信号进行初级反向放大；
所述电荷灵敏放大电路，用于将场效应管处输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号；
所述相位补偿电路，用于相位补偿；
所述电压放大电路包括反向电压放大电路和差分放大电路，用于放大信号至便于观测状态。
2.根据权利要求1所述的用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：所述低噪声处理电路的场效应管采用3DJ7G，输入信号经隔直电容C7接场效应管的栅极，场效应管的栅极接电阻R19后接地，场效应管的漏极接上拉电阻R15，场效应管的源极接电阻R20接地，电阻R20并联电容C15，电阻R20为场效应管放大倍数反馈电阻。
3.根据权利要求1所述的用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：所述电荷灵敏放大电路的运算放大器采用AD8039。
4.根据权利要求1所述的用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：所述相位补偿电路的相位补偿电容C16连接在电荷灵敏处理之后，与电阻R21组成低通滤波电路，抑制信号中的高频噪音。
5.根据权利要求1所述的用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：所述电荷灵敏放大电路和反向电压放大电路均使用单电源+5V供电，+2.5V为信号的电压基准电压。
6.根据权利要求1所述的用于便携式低功耗核辐射探测器的前放电路，其特征在于：所述差分放大电路的差分放大器采用THS4131。
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