第２９卷第５期 ２０１４年１０月 光电技术应用 ＥＬＥＣＴＲＯ—ＯＰＴＩＣ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．２９．ＮＯ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ．２０１４ ・电路与控制・ 基于固态光电倍增管的放大电路及电源电路设计 韩真真，郝晓剑 （中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原０３００５１） 摘要：固态光电倍增管（ＳＳＰＭ）作为一种新型的光电探测器件，具有广泛的应用。研究并设计了固态光电倍增管的外围电 路、前置放大电路和电源电路。应用软件仿真验证了放大电路的可行性，优化了反馈电容参数，使电路性能达到最佳。为实现设 计的小型化和简洁化，设计并制作了电源电路，实验结果表明，输出电压均值为３０．４ｖ，满足设计要求。 关键词：固态光电倍增管；电源电路；放大电路；电路设计 中图分类号：ＴＮ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１２５５（２０１４）．０５—００６９．０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ＨＡＮ Ｚｈｅｎ—ｚｈｅｎ，ＨＡＯ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａ￣＇ｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（ＳＳＰＭ）ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｉｎｇ ｃｉｆｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉ－ ｔｙ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｏ ｇａｉｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｍａｄｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ３０．４ Ｖ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（ＳＳＰＭ）；ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ；ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ 光电倍增管是一种新型的光电探测器件，由数 百个工作于盖革模式…的雪崩光电二极管（ＡＰＤ）组 成。固态光电倍增管（ＳＳＰＭ）兼备高增益和高光子 探测效率，具有低噪声、快速响应 、体积小、避免电 能，进行合理的折中 。 对于电源电路 ，一种是采用恒流源电源；另一 种是采用＋５ Ｖ电源驱动芯片，经变压器放大，然后 整流、滤波得￣ｌＪ＋６０ Ｖ电源电压，但由于其结构较为 复杂，且应用的零器件较多，所以体积较大，给使用 带来了很多的不便。针对这一现象，研究并设计了 单电源电路，从而小型化系统。 磁干扰、低工作电压等特性，可广泛地应用于温度 测试和触发系统的光纤输入信号读出，辐射探测器 闪烁物读出，测距，跟踪和激光雷达，生物光子探测 等领域 】。 经过固态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。前置放大电路［７１的设计就 １ ＳＳＰＭ的性能 １．１ ＳＳＰＭ动态范围 对ＳＳＰＭ．１００３５来说其线性响应范围 是１０～１ 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。需要综合权衡增益、带宽、噪声、灵敏度等性 收稿日期：２０１４—０９—０４ 基金项目：国家自然科学基金（６１４７３２６７）；山西省人社厅留学人员科研活动资助项目；太原市科技局明星专项项目（１２０２４７．２０） 作者简介：韩真真（１９８９一），女，山东泰安人，硕士研究生，研究方向是光电探测理论与技术． ７０ 光电技术应用 第２９卷 ０００个光子数之间（每猝灭时间），换算成功率为 Ｐ： （１） ｒ 其中，Ｐ为功率；凡为光子数；ｈ普朗克常数； 为入射 光子频率；ｔ为猝灭时间。 取波长为５１０ ｎｍ时的光 频率，ｔ取一个猝灭时间１００ ｎｓ，计算得Ｐ的范围为 ３．９×１０ 一３．９×１０一Ｗ。当入射光功率在这个范围 内时，ＳＳＰＭ输出与输入成线性；整个动态响应范围 则是在ｌ０～１０ ０００个光子之间（每猝灭时间）。 １．２温度对ＳＳＰＭ的影响 温度的变化会影响ＳＳＰＭ的击穿电压，而击穿电 压的变化会进一步影响到增益和输出响应。图１为温 度一击穿电压曲线。从图１中可以看出，随着ＳＳＰＭ工 作环境温度的升高，击穿电压也升高，两者呈一定线 性关系。通过进一步的研究，温度每上升１ ｏＣ击穿电 压增加约２３ ｍＶ。击穿电压与温度的数学表达式如下 ＝０．０２３× ＋２７．２ （２） 之 钛 伯 温度／ 图１ ＳＳＰＭ击穿电压与温度关系 图２为在不同的温度点下的增益一偏压曲线。 从图２中可看出，在相同的偏压下，温度越低时增益 越大，有时增益相差可达一个数量级，所以实际应 用中，有必要考虑环境温度对ＳＳＰＭ的影响，需要设 计适合使用环境的冷却装置。 ｘ１０ ｇ 窨 ． 皇 偏压，ｖ 图２不同温度下的增益一偏压曲线 ２放大电路的设计与仿真 ２．１ 系统结构及器件 ６ ４ ２ ７ ８ ６ ４ ２ ６ 为使固态光电倍增管正常工作，需提供３０ Ｖ的 偏置电压，使其处于偏置状态，并应配有相应的前 置放大电路。系统的总体框图如图３所示。 图３系统框图 前置放大电路的设计从两方面考虑：一是设计 合适的电路形式；二是选择合适的器件，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。跨阻放大器的作用是将光电二极管微弱的电 流信号转为合适的电压输出，同时可以比较容易地 获得最佳信噪比。 本设计中采用了ＴＩ公司的高速运算放大器 ＬＭＶ７９３。ＬＭＶ７９３是一款低噪声电压反馈的跨阻 放大器，可应用在光电二极管放大器、低噪声信号 处理、传感器接口等领域。ＬＭＶ７９３有源电压范围 为１．８－５．５ Ｖ，其为单电源运算放大器。ＬＭＶ７９３每 个轨到轨的输出特性能够驱动一个６００ Ｑ的负 载并且产生６０ ｍＡ的电流。低输入电压噪声为 ５．８ ｎＶ／√Ｈｚ，输入偏置电流为１００ ｆＡ，增益带宽积 为８８ ＭＨｚ，其能保证２．５ Ｖ和５．０ Ｖ的性能，总谐波 失真为０．０４％，温度范围为一４０℃～１２５ ｏＣ。ＬＭＶ７９３ 在低电压和低噪声系统中提供了最佳的性能。 ２．２仿真结果分析 ＬＭＶ７９３也是一款互阻抗放大器，由于互阻抗放 大器本身就是一款微分电路，所以其不太稳定。为了 确保其稳定性，可以使用一个相对较大的反馈电容， 以过补偿电路，但是使用较大的补偿电容 将会增大 电路的带宽，从而超出ＬＭＶ４９３的带宽。根据以上分 析，前置放大电路设计如图４所示。其中ｃ ＝Ｃ，Ｊ＋Ｃ ， Ｃ 为运算放大器的输入共模电容值为１５ ｐＦ， 为二 极管的电容为３０ ｐＦ，Ｃ，＝５ ｐＦ。 电路仿真主要是检验设计方案在功能方面的 正确性。用Ｍｕｈｉｓｉｍ软件对电路进行了仿真，采用 矩形波信号作为输入，幅值为１ ｍＡ，频率为１００ ｋＨｚ，当Ｃ，＝５ ｐＦ时，仿真结果如图５ａ所示。从图５ａ 第５期 韩真真等：基于固态光电倍增管的放大电路及电源电路设计 ７１ 可以看出，此波为矩形波，但是由于电容值小，补偿 作用微乎其微，故增大ＣＦ的值。当ｃ，值为５０ ｐＦ时， 和电容值大的电容。另外一种减小输出纹波的方法 是在升压转换器的输出端连接一个ＲＣ滤波电路， 如图７所示。图７中增加Ｒ３、Ｃ３可以减小纹波，为最 终３０ Ｖ电源电路设计方案。 仿真结果如图５ｂ所示。增大补偿电容后，输出信号 的振荡和过冲明显降低，电路带宽为９４９ ｋＨｚ，可以 实现２ ０００倍的放大倍数。 Ｃ， Ｖｏｕｔ Ｆ 图４前置放大电路图 （ａ）Ｃ，＝５ ｐＦ时的仿真结果 ｒ ㈠㈠ ｊ ｆ （ｂ）Ｃ，＝５０ ｐＦ时的仿真结果 图５不同Ｃ，下的仿真结果图 ３偏置电压电路的设计及制板 电源电路需要用Ｎ＋５ Ｖ和＋３０ Ｖ的电源。＋３０ Ｖ 为ＳＳＰＭ提供偏置电压，因为ＳＳＰＭ工作在盖革模式 下的最低电压为２８ Ｖ，故采用了典型值３０ Ｖ。设计 时采用常用的＋５ ｖ电源来得到＋３０ Ｖ的电压。 ＳＳＰＭ对工作偏压电源要求电压纹波峰峰值 小于４％，偏压范围２８ ３６ Ｖ，电源电流范围小于 ３０ ｍＡ。根据所查资料了解到ＭＡＸ５０２６常应用于 产生雪崩二极管的偏置电压，故用ＭＡＸ５０２６来实现 ３０ Ｖ的电压电路设计，其原理图如图６所示。 输出滤波电容为１ ＩｘＦ或者更大一点，为了减小 输出纹波，应选择低等效串联电阻、低等效串联电容 ＧＮＤ 图６输出为３０ ｖ的升压电路 １ ＧＮＤ 图７带ＲＣ的输出为３０ｖ的升压电路设计 为了检测所设计的电路是否能够达到要求，绘 制ＰＣＢ板并做出实物进行测试。实物如图８所示。 图８＋３０ Ｖ偏置电源实物 ４调试与检验 完成了偏置电压电路板的焊接、制作后，对电路 板进行了测试，在ＶＣＣ端接５ Ｖ电源，ＧＮＤ端接地， 输出端接示波器，其输出波形如图９ａ和图９ｂ所示。 对比加入滤波电路前后的输出波形，由图９可 以清晰地看出，接入 ３和Ｇ３后，纹波明显减小。其 实，即使是最好的基准电压源器件，其输出电压也是 有纹波的。纹波的害处很多，如容易在设备中产生 不期望的谐波；降低电源的效率；带来噪声干扰等。 因此在设计电路时必须要尽量降低纹波电压。经测 ７２ 光电技术应用 第２９卷 试得输出电压的范围为２９．２～３１．６ Ｖ，输出电压均值 为３Ｏ．４ ｖ，纹波为６００ ｍＶ，可以满足设计要求。 ■——瞳 哪 另外在电路设计中，采用单电源运放，减少供电电 源，利于电路小型化。 参考文献 【１］ 梁创，廖静，梁冰，等．硅雪崩光电二极管单光子探测器 光子学报，２０００，２９（１２）：１１４２．１１４７． ［２］ 潘保武，郝晓剑，李伟，等．ＳＳＰＭ在蓝宝石光纤黑体腔 瞬态高温传感器中的应用ＩＪｌ１．中北大学学报，２０１１（５）： （ａ）未接滤波电路输出 ６２２—６２４． ［３】 陈森，张师平，吴疆，等．光电倍增管光谱特性实验设计 啊咖皿 墨■ ｆｊ１．大学物理实验，２０１３，２６（１）：２７—２９． ［４］ 赵文锦．光电倍增管的技术发展状态［ＪＪ．光电子技术， ２０１１，３１（３）：１４５．１４８． 【５】 黄敏敏，朱兴龙．硅光电探测器的发展与应用 机械丁 程与自动化，２０１１，６（１６９）：２０３—２０５． ［６］ 崔婷．瞬态表面超高温传感其技术研究［Ｄ］．山西：中北 （ｂ）接入滤波电路输出 图９有无滤波电路的实验结果 大学，２０１０． ［７］ 海燕．低噪声大动态范围前置跨阻放大器的研制【Ｄ】． 重庆：重庆邮电大学，２００６． 【８】 唐立田，张海英，黄清华，等．一种高增益低噪声低功耗 跨阻放大器设计与实现 电子器件，２００９，３２（３）： ５６６—５６９． ５结论 文中研究和设计了固态光电倍增管的前置放 大电路和电源电路，并进行了仿真和实验验证。仿 真结果表明，设计的电路可以实现２ ０００倍的放大 ［９】 张智河，李延玲，曲典．双极输出光电倍增管高压电源设 计与实验研究 中国医疗设备，２０１３，２８（３）：３１．３３． ［１０］李岩峰，郝晓剑，周汉昌．ＳＰＭ光电探测技术及应用『Ｊ］ ．电子质量，２０１３（１２）：４１—４４，５０． 功能，输出电压的范围为２９．２ ３１．６ Ｖ，输出电压均 值为３０．４ ｖ，纹波为６００ ｍＶ，可以满足设计要求。 …………………一…一………………一……………………………………………………………………… －： 一欢迎利用期刊网站浏览本刊已发表文章 为了满足读者对《光电技术应用》期刊文章的快速、方便、阅读需求，《光电技术应用》期刊网 站（网址为：ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｇｄｊｓｙｙ．ｃｏｒｎ），为读者提供了《光电技术应用》期刊２００９～２０１４年已发表文章 的在线浏览。读者可在过刊目录下，查阅２００９～２０１３年期刊各期目录，点击文章题目或摘要，阅读 文章全文。欢迎广大读者登陆期刊网站，及时了解《光电技术应用》期刊已发表文章的最新信息。 《光电技术应用》编辑部 ： ｉ
