1、等离子体辐射诊断信号放大器的研究报告人 ：杨 茂指导教师：胡立群 时 间：2011年12月6日内容提纲内容提纲 1、课题背景 2、软X射线测量系统整体结构 3、前置光电流信号放大器电路设计 4、电磁兼容的设计 5、PCB板的制作 6、实验结果分析 7、总结 8、参考文献1 1、课题背景、课题背景 磁约束核聚变实验中的很多物理参数都是通过各种各样的探测器获得的，而获得的信号一般情况下都很微弱，很容易受到干扰，在转换或者放大信号的同时很容易将噪声引入到有用信号中，必须针对不同的微弱信号采取合适的处理技术，抑制噪声，提高信噪比。这里研究的放大器主要针对软X射线能段和紫外能段的辐射。EAST装置上的软
2、X射线辐射和XUV测量系统在C窗口上分别有3个探测阵列，探测阵列都采用的是Hamamatsu S4114 系列探测器，这种探测器是一种光电探测器，利用光电效应把光辐射转换成易于测量的电流信号。软X射线探测器在EAST上的分布如下图：在在EAST CEAST C窗口安装了两个窗口安装了两个3535单元水平探测阵列和一个单元水平探测阵列和一个4646单单元垂直阵列。信号名：元垂直阵列。信号名：SXC1U-SXC35USXC1U-SXC35U，SXC1D-SXC35DSXC1D-SXC35D，SXC1V-SXC46VSXC1V-SXC46V2 2、软软X X射线测量系统整体结构射线测量系统整体结构
3、光电探测器传输双绞线电流放大器 采集系统传输双绞线 光电探测器前置电流放大器滤波和电压放大电路光辐射信号弱电流信号弱电压信号转接柜A/D转换计算机显示和处理强电压信号强电压信号数字电压信号模拟部分数字部分探测信号传递框图S4114系列探测器/(1)pqenkTTpdeDeDiiirieriffff=-=-+01/DDRBCCVj=+lneptDreVIff=12.5微米铍膜与波长的关系软X射线：0.121.24nm3、前置光电流信号放大器电路设计1/LoppReijff-=+1/(2)pLifR Cp=带宽达不到要求，且暗电流噪声较大电压型电流转换器电路跨阻型电流转换器电路/(2)pfcfic
4、pffR Cf fp=/(2)LfOLfcZRAR sfp=电路的电感特性1/2/2rLicfifL CfR Cpp=振荡频率opfei R=1.4pfBWf=电路的幅频响应振荡频率给电路制造了不稳定因素电路的幅频响应相位补偿给电路加入一个极点，抵销电路的电感特性，使电路趋于稳定(|)1 1/()fpfCoOLiRXeAb=+1(|)1()ifiCfffCCfifXR C sRXXRCCsb+=+反馈系数：1/2CffffR Cp=信号带宽：/(2)pfcficpffR Cf fp=相位补偿后电路的幅频响应稳定性：45omf=相位裕度：9045oomf吵系统稳定确定反馈电容的大小：4(/2)(
5、11ifccCCCC=+1/2cffCR Cp=电路的改进加入匹配电阻减小了运放输入偏置电流带来的直流偏置误差，但是在高增益时，匹配电阻很大，在探测器两端并联了较大的电压，暗电流增大，误差增大。T型反馈网络T型反馈网络采用T型反馈网络，减小了Rf和匹配电阻，也就减小了探测器两端的电压，减小了探测器暗电流带来的误差。但此时输入失调电压却被放大了R2/R1+1倍，给输出电压带来了误差。本电路适用于nA级别的电流放大器。改变探测器的接线位置将探测器的两端直接与运放的两个输入端相连，消除了匹配电阻上电压给探测器带来的影响，而且参数选择合适时，增益是增大了一倍。此电路只适用于单道高增益电路。多道情况分析
6、匹配电阻和电容并联，减小了匹配效果交流噪声分析反馈电阻热噪声散粒噪声电压（pA级的运放噪声可以忽略）2noRftEKTRBWp=反馈电阻频谱噪声密度：4nRfeKTR=反馈电阻热噪声RMS有效值：noiftBERq BW Ip-=散粒噪声密度：2nRiniffBei RRqI-=散粒噪声RMS有效值：交流噪声分析运放输入噪声电压增益噪声频谱图KRC滤波器KRC有源二阶低通滤波器电路幅频响应当R3=R4，C3=C4时，Q=1，01/2fRCp=4 4、电磁兼容的设计、电磁兼容的设计一个系统如果满足以下三个准则，就认为与其环境电磁兼容：一个系统如果满足以下三个准则，就认为与其环境电磁兼容：不对其他
7、系统产生干扰不对其他系统产生干扰 对其他系统的发射不敏感对其他系统的发射不敏感 不对自身产生干扰不对自身产生干扰EMCEMC涉及电磁能量的产生、传输和接受，如图所示：涉及电磁能量的产生、传输和接受，如图所示：防止干扰有三种途径：防止干扰有三种途径：抑制源的发射抑制源的发射 尽可能使耦合路径无效尽可能使耦合路径无效 使接收器对发射不敏感使接收器对发射不敏感系统电磁干扰耦合方式与研究思路：电磁兼容设计的层次及主要工作：电源滤波 “地”代表公共的地位参考点，即零电位参考点。好的接地要求：1、低阻抗回流路径 2、有公共的电位参考点 3、尽可能小的回路面积。接地和屏蔽哑铃模型5 5、PCB PCB板的制
8、作板的制作方案一：（单道单点接地，九道九点接地）单点接地方案一改进：（每道都多点接地）多点接地，并加了输入保护环方案三：方案四6 6、实验结果分析、实验结果分析 Shot 36627 CXUV5V采用方案一 增益增大，噪声减小6 6、实验结果分析、实验结果分析Shot 36627 CXUV5V采用方案一 细节放大 带宽增大6 6、实验结果分析、实验结果分析Shot 110468 sxa22采用方案一 sxa23采用方案一改进一6 6、实验结果分析、实验结果分析Shot 111030 sxa17采用方案一 6 6、实验结果分析、实验结果分析Shot 111439 sxa26采用方案四（2*106
9、）6 6、实验结果分析、实验结果分析Shot 111469 sxa20采用方案四（4*106）7、参考文献 王勇 磁约束聚变中微弱信号处理及电磁兼容研究 刘卫东 刘延冰 检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计 华中理工大学 李远明，陈文涛微弱光信号前置放大电路设计【J】电 子元器件应用，2007 何瑾，刘铁根，孟卓，杨莉君弱光强信号检测系统前级放大电路的设计 科学技术与工程 刘彬,张秋婵.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 刘树棠,朱茂林,荣玫译.基于运算放大器和模拟集成电路的设计M.西安:西安交通大学出版社,2004:277-301硕士期间发表论文及主要工作发表论文：2011年7月在国内核刊核电子学与探测技术发表论文微弱光电流信号放大器的设计设计了几套较好的电流放大器方案，经过实验期间对参数的不断改进和测试，达到了较好的效果。增益在 到 之间，带宽达到100KHz以上，并且有较好的信噪比和稳定性。55 10/VA65 10/VA谢谢！
