图1的电路包括一个PIN光电二极管，其检测伽马γ γ的单个光子。当光子撞击由光电二极管上的反向偏压产生的耗尽区时，它会产生与光子能量成比例的少量电荷。产生的信号然后被四个放大器放大和滤波，最后一个比较器区分信号和噪声。每次有足够能量的伽马光子撞击光电二极管时，比较器输出高脉冲。

小信号电平使这个设计成为一个有趣的挑战。它需要非常低噪声的电路，因为单个伽马光子产生的电荷量非常小，而且因为降低总体噪声水平允许电路检测低能量的伽马光子。必须特别注意第一阶段，这是噪声最严重的阶段。

组件的考虑

最关键的元件是PIN光电二极管，其选择往往涉及相互矛盾的考虑。探测器的灵敏度，例如(在给定的光场中检测到的光子数)取决于耗尽区的大小，而耗尽区的大小又取决于二极管的面积和施加在二极管上的反向偏置的量。因此，为了最大限度地提高灵敏度，您应该选择具有高反向偏置的大面积检测器。但是，这两种情况都会增加噪音。

大面积检测器往往具有较高的电容，这增加了电路的噪声增益。同样，更高的偏置电压意味着更高的泄漏电流。泄漏电流也会产生噪声。图1电路包括一个来自Fairchild (QSE773)的PIN光电二极管。尽管可以获得且价格低廉，但它可能不是最佳选择。然而，来自滨松的某些PIN光电二极管可以在此应用程序中很好地工作。在反向偏置下，选择电容为25pF至50pF的检测器在灵敏度和噪声之间提供了公平的折衷。

一级运放的重要考虑因素包括输入电压噪声、输入电流噪声和输入电容。输入电流噪声直接在信号路径中，因此运放应使该参数最小化。必须使用JFET或cmos输入运放。此外(如果可能的话)，运放的输入电容应该比PIN光电二极管的电容小。

如果您使用高质量PIN光电二极管和低电流噪声的运放，并且仔细注意设计，那么噪声的限制因子应该是一级运放的输入电压噪声乘以运放反相节点的总电容。该电容包括PIN光电二极管电容、运算放大器输入电容和反馈电容C1。因此，要使电路噪声最小化，就要使运算放大器的输入电压噪声最小化。

电路中所示的运算放大器(MAX4477)实现了这种设计。它具有可忽略的输入电流噪声和极低的输入电压噪声:在10kHz至200kHz的临界频率下为3.5至4.5nV/RtHz。它的输入电容是一个相当低的10pF。

R1和R2对噪声的贡献相同，因为它们直接位于信号路径中。电阻器电流噪声与其电阻的平方根成反比，因此使用电路所能容忍的最大电阻值。不过，请记住，PIN二极管和第一级运放的漏电流对电阻的大小有实际限制。MAX4477最大漏电流只有150pA，因此R2可能比所示的10MW大得多。当使用高质量PIN光电二极管时，R1也可以大得多。

C1影响电路增益，较小的值对噪声和增益都有利。使用温度系数低的电容，避免增益随温度变化。该电容值也会影响运放对增益带宽积(GBWP)的要求，较小的电容值需要较高的GBWP。

收尾工作

为了确保电路测量的是伽马比而不是光，用不透明材料覆盖PIN光电二极管。为了阻挡来自电源线、电脑显示器等的辐射，一定要用接地的外壳屏蔽电路。

你可以用一个便宜的烟雾探测器来测试电路。电离型烟雾探测器使用镅241，它能发射60keV的伽马光子。(更昂贵的光电烟雾探测器不含镅。)一个60keV的伽马接近电路的噪声底，但应该是可检测的。图表(图2)显示了典型伽马走向的结果。顶部波形来自测试点1，底部波形是比较器输出。

一种可能的改进是用数字可调电容(如MAX1474)代替C1，该电容为电路提供数字可编程增益。同样，用MAX5403等数字锅代替机械锅可以对比较器阈值进行数字调整。最后，用参考而不是5V电源驱动比较器非反相输入，提高了比较器阈值的稳定性。