基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理*

叶莉华，汪海洋，王文轩，陆锦程，崔一平*，沙 涛，杭建军

(1.先进光子学中心，电子科学与工程学院，东南大学，南京210096;2.电子工程与光电技术学院，南京理工大学，南京210094;3.南京文采科技有限责任公司，南京210017)

光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。其探测能力可以接收到一个光子并将其转换成电脉冲信号。经过光电倍增管转换的信号还比较微弱，很容易受到噪声的干扰。低噪声前置放大器的设计就是把夹杂噪声的微弱信号进行放大，抑制工作环境中的噪声，提高信号和噪声的比值，即提高信噪比，但是在提高信噪比的同时，将会使频率特性变坏，这两者要兼顾考虑。低噪声前置放大器的设计从两方面考虑:一是选择合适的器件，二是设计合适的电路形式。从而设计出动态响应快、稳定性高，可靠性好的高性能的电路。

1 光电倍增管

1.1 光电倍增管简介

光电倍增管PMT(Photomultipler Tubes)是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器。光电倍增管有两种基本工作模式:单光子计数和电流感应。系统在每秒百万个光子以下为单光子模式，超过之后为电流感应，单光子计数不适用于强光信号［1］。光电倍增管的输出电流一般为10 nA～300 μA，其中在探测应用中输出的电流一般在10 nA～100 nA。光电倍增管有两种接地模式，一种是是阴极接地，阳极加正高压，适用于单光子计数模式。一种是阳极接地，阴极加负高压的方法，适用于电流感应工作模式。

1.2 PMT的选型及应用

PMT选型时，最重要的几个参数是光阴极的光谱响应范围，阴极光照灵敏度和暗电流［2］。一般来讲，要选择所需要的光谱响应范围即可，阴极光照灵敏度越高越好，暗电流越小越好。在应用时，要注意的是在使用的波长范围内，使用量子效率高的PMT，并且在不影响工作的前提下，波长范围越窄越好。为获得好的信号输出，要提高光的收集效率，在接收光时，要使光均匀的投在PMT阴极接收窗口上，可以延长PMT的使用寿命和输出可靠的信号。在PMT上电后，要等待0.5 h之后再测量数据，因为刚上电后，PMT的暗电流大，噪声大，输出的信号没有可靠性。在实际应用中，关注了以上几个注意事项之后，会提高PMT的信噪比，PMT可以有效可靠地输出信号。在本项目中，PMT选用的是滨松公司的CR131，可以稳定可靠地运行，输出良好的信号。

2 低噪声前置放大器的设计

2.1 运放的选型

对于低噪声前置放大器的设计来说，运放的选型是很重要的，选到适合的运放，可以使设计事半功倍。运放本身会存在噪声，本身的内部噪声是不可以消除的。在设计低噪声前置放大器时，最优先考虑的参数是噪声电压En和噪声电流In［3］，然后考虑的是增益带宽积(GBW)，GBW=Af×f，其中Af为信号增益，f为频率。虽然GBW值越大越好，不过GBW值较大的运算放大器其他功能普遍偏弱.在满足带宽要求的前提下，高输入阻抗、高共模抑制比、低输入偏置、低噪声是主要的设计选型因素.另外一个值得注意的参数是压摆率SR(Slew Rate)，

其中f为信号的带宽，Vp-p为信号的峰峰值。没有足够的压摆率，信号会失真。

此外，在选运放时，很重要的一个参数是偏置电流IP，IP的值一般选pA级，从而能够让PMT输出的电流不至被IP淹没，从而能让信号信号顺利输出。

2.2 多级放大电路的设计

在低噪声多级放大电路设计中，最重要的是第一级。多级放大电路的噪声系数如下式所示:

其中Api为信号输入功率和输出功率比值［4］。NF为各级运放的噪声系数，噪声系数愈大，电路中噪声越大，从式(2)可以看出，第一级放大电路决定了整个放大电路性能的好坏。

2.3 放大电路的噪声估算

对所设计的电路进行噪声估算是必要的，这样可以把器件本身所存在的噪声对电路的影响减小到最低。本项目所采用的是I/V转换电路，图1为运放噪声模型［5］。

图1 运放噪声模型

(2)电阻Rf与放大器的噪声电流密度之积:

(3)电阻Rf的温度噪声:

总输入噪声电压密度为:

输出的噪声总电压为:

利用此式可预估芯片及电阻所带来的噪声，从而为芯片选型带来方便。

2.4 反馈电阻和补偿电容的选择

首先为了减小器件本身的热噪声，就要选择噪声小的器件。电阻的热噪声因不同的材质噪声的大小不同，其中金属膜电阻的热噪声最小。同时，同样阻值大小的电阻，由于功率越大的电阻散热性越好，所以功率越大的噪声也越小。反相放大器容易产生震荡，震荡的原因是输入电容和负载电容(还包括耦合电容和旁路电容)会导致相位滞后，要消除震荡，需要相位补偿，就在反馈电阻上并联超前补偿电容，即在图2中电阻上并联一电容对电路进行相位补偿［6］。电容本身理论上不会有噪声，但是在实际应用中，电容等效为电容和电感以及电阻的串联，也会引进噪声。同时不同介质的电容适用的频率范围不同。RC电路中，通过阻抗来计算RC电路所带来的噪声。RC并联电路的阻抗为

式(7)实部为电阻部分，可以看出，电容越大，噪声越小。但是由于带宽的原因，f=1/2πRC，R越大，噪声越大，稳定性越差，但是信噪比会提高，这时选用温度系数高的电阻会较为理想。所以要综合考虑电阻电容的取值。

图2 低噪声前置放大器原理图

2.5 PCB板布局连线以及屏蔽

由于在应用环境中，有很多噪声来源，应该从光路和电路两方面对噪声加以抑制。在电路方面，光电倍增管及其低噪声前置放大器必须用金属外壳来屏蔽;在光路方面，可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片，本项目中光路采用了滤色光片。另外，摩擦电，外界振动、输入连接及输入电缆等都能引起误差和漂移。要尽可能严格的连接，避免电缆的振动。优质的低噪声或地渗露电缆也可缩减泄露电流，并尽可能缩短电缆长度。在制作PCB板时，元件布局合理，分布均匀，走线尽量短，电源线远离地线、信号线，电路板上下层要有适当大面积的敷铜，同时也要注意注意光电倍增管信号传输电缆的正确接地，放大器输入信号回路的正确接地，去耦电容的合理选用，漏电流的减小或消除［7-8］。

2.6 放大电路设计原理图

通过应用上面的原则，所选运放的型号为ADA4891，摆率为170 V/μs，带宽为 220 MHz，本设计所需摆率从式(1)可以计算出。为满足设计要求，光电倍增管的接地方法是阳极接地，阴极加负高压。用低噪声的同轴电缆和此电路直接耦合。本电路采用了两级放大电路，通过的带宽为10 MHz。第1级为I/V转换电路，运放反向端未接匹配电阻，是因为运放的偏置电流比较大，加了匹配电阻，产生的失调电压比较大;第2级为同相放大。R1选值为3.3 kΩ，C选值为2 pF，第2级取放大倍数为10，选值为kΩ级。第1级和第2级采用了直接耦合，第1级和第2级的耦合也可采用阻容耦合。此外，运放应为双电源供电，才能处理PMT输出的负电流信号。两级系统的原理图和频率响应如图2和图3所示。

图3 低噪声前置放大器的幅频响应

从图中我们看到，此系统将能够顺利通过带宽10 MHz的信号，并且十分稳定。

此外，前置运放的电源要很稳定，PMT输出的信号本身就小，若电源的波动太大，不稳定，信号就不能有效的提取出来。电源方案可先用电源适配器把市电转化为弱电电路可用电压，然后通过DCDC提高电源的效率和带负载能力，接着通过低噪声LDO可减小DCDC输出电压的纹波和噪声，最后可通过RC滤波电路或有源滤波电路可进一步减小纹波，以给低噪声前置放大器提供稳定度高的电源。

3 后续电路处理

上述运放设计把信号放大，后面对信号进行积分，对信号进行调理，以完成信号采样。调理电路的原理框图如图4所示。

图4 调理电路原理框图

通过比较器A1，用单路信号输入，两路信号输出来控制两路模拟SW1、SW2开关，两路信号为反相，当一路开的时候，另一路闭合，以此来完成电容的充放电［9］。本项目的积分周期为250 ns，完成 A/D采样4 MHz的需求。比较器和模拟开关选型时，它们的开关速度在25 ns左右或以下，即开关速度越快越好。积分电路要尽量小的减小积分误差，从3个器件考虑:电阻，电容，积分运放。其中积分电阻的精度为1%，温度系数为1×10-6，以此来减小积分误差;选用泄漏电流小的电容，如薄膜电容、聚苯乙烯电容，可以减少积分电容的漏电流产生的积分误差。积分运放的失调电压，偏置电流和失调电流都要比较小，才能有效的减小积分误差。

PMT输出为负电流，通过I/V转换成正电压，用第二级运放同相放大，再用积分器对信号进行积分，能够把噪声完全消除，输出无噪声干净的信号。至此，完成了信号的调理。

4 结束语

光电倍增管的低噪声前置放大电路是后续处理电路的接口，这个关键部分如果设计好，将是一个良好的开端，为信号处理带来很多方便。本电路应用于基于激光扫描的烟叶异物分拣系统，也同样适用于其他光电检测场合的需要。

［1］彭榆伟，王永平，陶艳.CA3140在光电倍增管微弱电流处理中的应用［EB/OL］.中国论文在线.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］赛尔吉欧·佛郎哥，刘树棠，朱茂林.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计［M］.3版.西安:西安交通大学出版社，2004.

［4］何兆湘.光电信号处理［M］.武汉:华中科技大学出版社，2008

［5］［日］松井邦彦著，邓学.OP放大器应用技巧100例最佳选择与灵活运用［M］.北京:科学出版社，2006

［6］胡涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究［J］.光电技术应用，2010，25(1):52-55.

［7］周胜海，郭淑红.基于低噪声运放的传感前置放大器设计［J］.仪表技术与传感器，2006，9:38-40.

［8］刘彬，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计［J］.燕山大学学报，2003，27(3):193-196.

［9］［日］内山明治，村野靖著.运算放大器电路［M］.陈镜超.北京:科学出版社，2009.