在上文中对该探测器整体进行了简单描述，里面不乏会有些欠缺的地方，该实践在理论上属于微小信号放大，为了优化方案一中噪声问题，又做了一下工作，但是实验结果却十分让人失望。
在您观看本结内容时，首先说明该过程为失败的案例，本次对硅光电二级管伽马射线探测器的超低噪改进没有成功。主要原因如下：
在没有对电路噪声源分析时就开始设计，造成电路主要噪声源没有被排出。
超低噪运放的选型失败，ADA4817的输入端虽然为JFET，但与输出端实测有1兆的内部电阻，没能实现ADA4817的开环增益倍数放大，输出信号较小。
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针对方案一的超低噪优化主要分为一下几个方面：
1、降低电路噪声，使用基准电压芯片为探测器提供更加低噪声的反向偏置电压。
2、设计正负5V超低噪电源为电路供电。
3、采用超低噪声高增益JFET输入运放设计信号提取电路。
1.探测器偏压电路
图1 改进版探测器反偏电路
改进的探测器偏压电路如图1所示。采用3节12V电池供电，稳压器件调整为LM431基准电压芯片。LM431是TL431电压基准芯片的改进版，与TL431相比具有更低的噪声、更低的功耗、更小的温漂。在LM431输出的基础上增加一阶RC滤波，以获得噪声更低的基准电压。同时，为了抑制R13电阻热噪声，RC中的电容取值调整到uF级别，并搭配两个100nF低ESR电容。
2.超低噪声电源设计
设计采用9V干电池供电，使用LT3471 DC-DC电路产生两路正负7V输出。LT3471电路设置有自动升降压功能，设计输入电压范围为3V~10V，可以充分利用9V干电池电能。电路工作频率为1.2MHz，通过在输出端增加Pi型滤波电路可以将输出纹波减小到uV级。这两路正负7V电源分别送入精密LDO线性稳压器件，产生两路超低噪声正负5V电源为电路供电。
采用LTspice仿真软件对LT3471 DC-DC电路仿真设计，如图2所示。其中，+7V采用Boost拓扑结构设计，-7V输出采用SEPIC（Single Ended Primary Inductor Converter）拓扑结构设计，每路分别增加有独立的反馈环路。电路设计输出电流为500mA，+7V输出效率大于80%，-7V输出效率大于60%。
图2 LT3471 DC-DC电路仿真设计图
LT3471的反馈环路设计的较滞后，因负载为两个运放，电流波动非常小，以牺牲快速响应获得尽量减小输出纹波。上电波形仿真如图3所示，+7V电源在上电1.2mS后开始稳定，-7V因采用SEPIC结构输出噪声偏大，响应速度比+7V更慢，上电后1.8mS开始进入稳定状态。
图3 LT3471电路上电波形仿真
对电路输出噪声进行仿真测试，结果如图5所示。图中黄色为+7V输出噪声，粉色为-7V输出噪声。其中，图4-a为LT3471未加Pi型滤波的输出噪声的频谱，图4-b为LT3471加Pi型滤波的输出噪声的频谱，可见输出噪声中的高频分量显著降低。经过优化后的输出噪声中最高频率分量为-80dB。
图4 LT3471 DC-DC输出噪声分析
将正负7伏电源输入两颗LDO进一步降低噪声。+7V送入TPS7A4901DGNR 超低噪LDO进一步降噪得到超低噪声+5V输出，-7V送入TPS7A3401DGNR 超低噪LDO进一步降噪得到超低噪声-5V输出。完整的超低噪声正负电源原理图设计如图5所示。
图5 超低噪电源设计电路
在实际设计PCB时器件布局、器件选型以及线路规划等都需要十分注意。器件布局中要把功率器件规划到一起，开关线路尽量短，避免1.2M的开关信号从PCB线路中发射出去，可以使用滤波器件尽量包围功率器件。器件选型对于噪声控制至关重要，特别是功率电感应尽量选择漏磁极小磁损耗低的器件。线路规划时尽量将输出的正负5V电源线走在PCB的内层，并在传输区域保持完整的地平面，电源线每隔5mm增加一颗100nF的电容接地以保持超低噪特性。
3.微小信号放大电路
微小信号放大电路仿真电路如图3.28所示，探测器输出的微弱信号由初级超低噪运放ADA4817提取。其低频带宽噪声为 2.1nV/√Hz 、 1.4pA/√Hz，粉红噪声（1/f噪声）为7nV/√Hz 、 13pA/√Hz。防止失调电压被放大输出，ADA4817采用C3电容耦合输出。电路中增加C1电容极点，防止ADA4817运放产生震荡。
提取后的信号送入ADA4851-4WYRUZ-R7进行二次放大，ADA4851-4WYRUZ-R7运放芯片中有四个GBW=80Mhz的JFET运放。每级放大倍数为2，四级个同相比例运算放大电路级联，将信号放大16倍输出。仿真电路如图6所示。
图6 微小信号放大仿真电路
仿真结果如图7所示，可以看出ADA4817有没有发生自激振荡。在仿真中没有添加噪声源，通过分析可知电路中主要噪声源为100M电阻的热噪声为1.26uV/√Hz，代入仿真增益中可知输出噪声为126mV/√Hz。在四级联放大过程中，C4、R12等构成高通滤波可以对低频噪声滤波，进一步提高输出信噪比。
图7 微小信号放大电路仿真输入输出
微小信号放大电路PCB设计原理图如图8所示。在仿真电路的基础上增加了很多电容以降低噪声，在每路运放的反馈电阻上并联2pF负反馈电容以提高电路稳定性。
图8 微小信号放大电路原理图
超低噪电源电路、微小信号放大电路、改进版探测器反偏电路各模块线路连接如图9所示，其中9V、36V、GND为全局通用顶层中部分省略。
图9 各模块线路连接图
PCB电路设计如图10所示，采用4层板设计，电源与信号线均包埋在内层。PCB增加了两个屏蔽罩，分别用来屏蔽功率器件区域和运放电路区域。
（XXXXp_layer层设计图,XXXXyer_1层设计图,XXXXyer_2层设计图,XXXXttom layer层设计图,e.元器件布局图,f.实物图。）
图10 PCB设计与实物
探测器通过3D打印结构件与PCB固定，入射面采用0.4mm厚的石墨片作为“窗材料”，如图11所示。石墨具有导电、遮光的特性，不同于与金属箔，石墨内为碳元素，相对原子序数低有利于射线穿透。
图11 探测器石墨窗安装
安装完成后的整体实物如图12所示，测试时需要将其置于屏蔽铁管内实现稳定工作。
图12 闪烁体-硅光电二极管伽马射线探测器实物
测试结果：
输出变得更差了。与原方案对比：信号放大倍数减小了，信噪比变得更低了。
原因分析：
ADA4817的内部存在消除Vos的1兆欧电阻，使运放放大无法达到开环增益倍数。
电路主体的采样架构还是没有改变，所以以前有的固有噪声现在还存在，只是换了噪声更低的器件器件，做了更多的噪声更低的PCB而已，并没有理性思考、运用超低噪设计的精髓。
工程源文件：
1、PCB文件：
2、电源仿真文件：
3、
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