核电子学第5课前置放大器

1、核电子学与核仪器第一章重点第一章重点n核辐射探测器等效电路及其信号引出核辐射探测器等效电路及其信号引出第一章重点第一章重点n核电子学中的噪声核电子学中的噪声 噪声的衡量：噪声的衡量： 等效噪声电压（等效噪声电压（ENV）；等效噪声电荷（）；等效噪声电荷（ENC）；）；等效噪声能量（等效噪声能量（ENE） 核电子学中的主要噪声有三类：核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声；热噪声；低频噪声散粒噪声；热噪声；低频噪声n积分电路与微分电路积分电路与微分电路本堂课主要内容：本堂课主要内容：n一、概述一、概述1.1前置放大器的作用前置放大器的作用1.2前置放大器的分类前置放大器的分类n二、电荷灵敏前置放

2、大器二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用 采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情况下，都首先要通过况下，都首先要通过放大器放大器放大后再进行分析。放大后再进行分析。 在实际测量中，探测器附近总有一定的在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量辐射剂量存在，存在

3、，工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器。同时，为工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器。同时，为了减少探测器输出端到放大器之间的了减少探测器输出端到放大器之间的分布电容分布电容的影响，的影响，减少外界干扰，提高减少外界干扰，提高信噪比信噪比，并使连接信号用的高频电，并使连接信号用的高频电缆阻抗相匹配，通常把放大器分成缆阻抗相匹配，通常把放大器分成前置放大器前置放大器和和主放大主放大器器两部分。两部分。(在实际测量中，前置放大器的参数很少变动，在实际测量中，前置放大器的参数很少变动，而由后面的主放大器来调节。而由后面的主放大器来调节。)一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用提

4、高系统的信噪比提高系统的信噪比布局布局1：传输线：传输线长，分布电容大，长，分布电容大，信噪比小。信噪比小。 布局布局2：分布电：分布电容小，信噪比高，容小，信噪比高，抗干扰能力强。抗干扰能力强。 为什么呢？为什么呢？一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用减少外界干扰的相对影响减少外界干扰的相对影响 由于空间电磁干扰的存在，或有时由于空间电磁干扰的存在，或有时屏蔽屏蔽和和隔离隔离不好，不好，在信号远距离传输时，往往串入外界干扰，需要设在信号远距离传输时，往往串入外界干扰，需要设法提高法提高信号干扰比信号干扰比。 为了更好地抑制外界干扰，前置放大器与探测器一为了更好地抑制外界干

5、扰，前置放大器与探测器一起，通常采取良好的起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔离、滤波屏蔽、接地、隔离、滤波等措等措施。在弱信号传输时，还需用屏蔽良好、噪声较小施。在弱信号传输时，还需用屏蔽良好、噪声较小的的电缆线电缆线，当主放大器为，当主放大器为差分输入差分输入时，则采用低噪时，则采用低噪声声双芯屏蔽电缆双芯屏蔽电缆。一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用合理布局，便于调节和使用合理布局，便于调节和使用 为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要求有一定为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要求有一定的的放大倍数放大倍数，工作，工作稳定可靠稳定可靠，并做成，并做成非调节非调节式。

6、式。实现阻抗转换和匹配实现阻抗转换和匹配 前置放大器是在探测器和主放大器之间作为一个前置放大器是在探测器和主放大器之间作为一个阻抗转阻抗转换器换器，探测器通常要求后级有高的输入阻抗以便于信号，探测器通常要求后级有高的输入阻抗以便于信号的输出，而前置放大器通过电缆远距离传送给主放大器的输出，而前置放大器通过电缆远距离传送给主放大器时，则要求有能与电缆阻抗相时，则要求有能与电缆阻抗相匹配匹配的低的输出阻抗及传的低的输出阻抗及传递信号。递信号。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类 前置放大器按不同的特点有几种分类方法：前置放大器按不同的特点有几种分类方法： 与不同的探测器相配，可

7、有不同的前置放大器，如与不同的探测器相配，可有不同的前置放大器，如电离室前置放大器电路，正比计数器前置放大器电电离室前置放大器电路，正比计数器前置放大器电路，半导体探测器前置放大器电路和闪烁探测器输路，半导体探测器前置放大器电路和闪烁探测器输出电路等。出电路等。 根据探测器输出信号根据探测器输出信号成形方式成形方式的特点分类，前置放的特点分类，前置放大器可分为大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器和电流灵敏前置放大器。大器和电流灵敏前置放大器。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器 探测器极间电容

8、探测器极间电容：CD；放大器的输入电容放大器的输入电容：CA；分布分布电容电容CS。则放大器的输入端总电容：。则放大器的输入端总电容：Ci= CD+ CA+ CS01( )wtiMDiVit dtQC oMiMVVQ一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器 电压灵敏前置放大器的主要问题是电压灵敏前置放大器的主要问题是输入端总电容输入端总电容Ci决定决定于于CD、CA和和CS，它们不是稳定不变的，它们不是稳定不变的。例如，放大器。例如，放大器输入电容输入电容CA可能由于可能由于输入级增益输入级增益不稳定而变化；使用不稳定而变化；使用P-N结半导

9、体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容结半导体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容CD将发生变化等等；这时将发生变化等等；这时Ci也就随之变化。当也就随之变化。当Ci不稳定时，不稳定时，输出电压幅度也不稳定，在能谱测量中，这将使系统输出电压幅度也不稳定，在能谱测量中，这将使系统的分辨率降低。在输入端的分辨率降低。在输入端并联大容量并联大容量的电容器可减小的电容器可减小输入总电容中不稳定因素的相对影响，然而，这将使输入总电容中不稳定因素的相对影响，然而，这将使信号幅度信号幅度减小减小，信噪比，信噪比降低降低。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器

10、 电荷灵敏前置放大器就是带有电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈电容负反馈的的电流积分器电流积分器。ffoMCQVV一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器 由于反馈电容可以足够稳定，输入电容由于反馈电容可以足够稳定，输入电容Ci的影响可的影响可以以忽略忽略，输出电压幅度，输出电压幅度VOM有很好的有很好的稳定性稳定性，因此，因此这种电荷灵敏前置放大器常用于这种电荷灵敏前置放大器常用于高能量分辨率高能量分辨率能能谱仪系统。谱仪系统。 为了释放为了释放Cf上不断累积的电荷量，并稳定反馈的直上不断累积的电荷量，并稳定反馈的直流工作点，需要采取一些

11、措施，如附加一个阻值流工作点，需要采取一些措施，如附加一个阻值较大的反馈电阻较大的反馈电阻Rf与与Cf并联，并联，Rf常称为常称为泄放电阻泄放电阻。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号电流信号直接直接进行放大。进行放大。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器输入电阻小输入电阻小，但，但时间响应时间响应较好，较好，常用作常用作快放大器快放大器，不过其相对，不过其相对噪声较大噪声

12、较大，主要用于，主要用于时时间测量系统。间测量系统。 从电荷从电荷(或电压或电压)灵敏与电流灵敏前置放大器两者输出信灵敏与电流灵敏前置放大器两者输出信号保留的信息上并没有号保留的信息上并没有绝对的差别绝对的差别。但从物理测量的。但从物理测量的要求看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于要求看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能能谱测量分析谱测量分析系统；电流灵敏前置放大器则主要用于系统；电流灵敏前置放大器则主要用于时时间测量分析间测量分析系统。系统。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n电荷灵敏前置放大器具有电荷灵敏前置放大器具有良好的低噪声性能良好的低噪声性能，并且其并且其输出信

13、号幅度输出信号幅度基本上不受探测器极间基本上不受探测器极间电容、放大器开环时输入电容和电压增益等电容、放大器开环时输入电容和电压增益等参数参数稳定性稳定性的影响。的影响。n目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器是电荷灵敏前置放大器 。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益OMCQVAQ 二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 在电荷灵敏前置放大器中，在电荷灵敏前置放大

14、器中，反馈电容反馈电容Cf跨接于放大器的跨接于放大器的反相输入端和输出端之间，放大器采用反相输入端和输出端之间，放大器采用高增益宽带运算高增益宽带运算放大器放大器，输出阻抗，输出阻抗很小很小，开环增益，开环增益Ao很大很大。 把反馈电容等效到输入端，由于把反馈电容等效到输入端，由于密勒效应密勒效应，总的输，总的输入电容为：入电容为： 则则二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简化为：化为： 则输出信号为：则输出信号为：

15、 对于电荷灵敏前置放大器，运算放大器的开环增益对于电荷灵敏前置放大器，运算放大器的开环增益Ao足够大时，电荷足够大时，电荷变换增益变换增益ACQ仅与仅与反馈元件反馈元件Cf有关，因有关，因此只要采用此只要采用高稳定精密高稳定精密的反馈电容，就可得到稳定的的反馈电容，就可得到稳定的电荷变换增益。电荷变换增益。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 此外，还可以定义此外，还可以定义能量变换增益能量变换增益ACE，它表示相，它表示相应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出

16、幅度的大小。幅度的大小。 一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比探测器直接输出的信号要探测器直接输出的信号要大一个数量级大一个数量级，相对于，相对于毫伏毫伏量级量级的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力要强的多。要强的多。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性输出稳定性 电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为： 放大器开环增益放大器开环增益Ao和输入电容的变化对输出稳定性的和输入电容的

17、变化对输出稳定性的影响为：影响为：二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性输出稳定性 引入引入反馈深度反馈深度AoF，则，则 要要提高输出稳定性提高输出稳定性，减小相对变化量，要求，减小相对变化量，要求AoF足够大足够大。一般一般Cf取得较小，所以反馈系数取得较小，所以反馈系数F值也较小，此时放大值也较小，此时放大器开环增益器开环增益Ao必须必须很高很高。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出噪声输出噪声 在测量中，除了真正有用的信号外，同时由

18、许多噪声在测量中，除了真正有用的信号外，同时由许多噪声源所产生的噪声与信号源所产生的噪声与信号叠加叠加在一起，因此要提高测量在一起，因此要提高测量精度必须精度必须减小噪声减小噪声，尽量提高信噪比，这一性能指标，尽量提高信噪比，这一性能指标对前置放大器电路是很重要的。对前置放大器电路是很重要的。 前置放大器噪声常用前置放大器噪声常用能量半高宽能量半高宽FWHM来表示，例如来表示，例如某 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 的某 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 的 噪 声 特 性噪 声 特 性 可 表 示 为可 表 示 为FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/pF，前一项为无外接电容，前

19、一项为无外接电容时的时的等效噪声半宽度等效噪声半宽度，后一项为其，后一项为其噪声斜率噪声斜率。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出脉冲上升时间输出脉冲上升时间(tr)及其稳定性及其稳定性 上升时间上升时间tr，是指输入一个阶跃信号时输出信号，是指输入一个阶跃信号时输出信号脉冲前脉冲前沿由幅度沿由幅度10%的变化到的变化到90%的时间的时间，通常希望前置放，通常希望前置放大器在时间上能较快的响应，要求上升时间大器在时间上能较快的响应，要求上升时间越小越好越小越好。 输出脉冲上升时间输出脉冲上升时间tr取决于前置放大器取决

20、于前置放大器本身本身的上升时间、的上升时间、探测器电流脉冲探测器电流脉冲持续时间持续时间、以及探测器、以及探测器极间电容极间电容。通。通常定义前置放大器本身上升时间常定义前置放大器本身上升时间tro是指前置放大器在是指前置放大器在输入冲击电流输入冲击电流Q(t)时，输出电压的上升时间。时，输出电压的上升时间。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 计数率效应包括计数率效应包括信号堆积信号堆积、输出动态范围输出动态范围和和最高计数最高计数率率等问题。从探测器输出单个信号来看，前置放大器等问题。从探测器输出单

21、个信号来看，前置放大器输出信号的输出信号的幅度较小幅度较小，而且实际探测器输出是大量的，而且实际探测器输出是大量的随机脉冲随机脉冲，它对前置放大器线性工作的动态范围提出，它对前置放大器线性工作的动态范围提出一定的要求。一定的要求。 在电荷灵敏前置放大器中，由于对反馈电容在电荷灵敏前置放大器中，由于对反馈电容Cf的的充电充电作用作用，信号是一个一个的，信号是一个一个的累加累加上去的，如果不给上去的，如果不给Cf上上的电荷以的电荷以放电通路放电通路的话，那么不断充电的结果，将使的话，那么不断充电的结果，将使放大器放大器无法工作无法工作。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前

22、置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 探测器与探测器与电荷灵敏电荷灵敏前置放大前置放大器采用器采用直直流耦合流耦合。 二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 当输入单个电流当输入单个电流Q(t)时，由于反馈放大器输入端为虚时，由于反馈放大器输入端为虚地，则地，则输出电压输出电压为为 如输出信号的平均计数率为如输出信号的平均计数率为n时，每个电流脉冲的电荷时，每个电流脉冲的电荷量为量为Q，则堆积的，则堆积的输出信号的平均值输出信号的平均值为为二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前

23、置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 由于探测器输出脉冲在时间上是由于探测器输出脉冲在时间上是随机分布随机分布的，实际输的，实际输出电压出电压Vo是围绕其平均值上下是围绕其平均值上下起伏起伏的。的。 当平均计数率当平均计数率n较高时，输出电压的上下涨落分布可近较高时，输出电压的上下涨落分布可近似表示为似表示为高斯分布高斯分布。则前置放大器的动态范围应不小。则前置放大器的动态范围应不小于：于：二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 探测器与探测器与电荷

24、灵敏电荷灵敏前置放大前置放大器采用器采用交交流耦合。流耦合。 二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 上述电荷灵敏前置放大器的主要指标上述电荷灵敏前置放大器的主要指标(变换增益、变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出上升时间和计数率输出稳定性、输出噪声、输出上升时间和计数率效应效应)，为具体电路的设计考虑和分析研究明确了，为具体电路的设计考虑和分析研究明确了要求要求。但应该注意各项指标的。但应该注意各项指标的性能高低性能高低，需要结，需要结合具体物理实验需要，合具体物理实验需要，全面权衡考虑全面权衡考虑，因

25、为实际，因为实际上有些指标是上有些指标是相互牵制、制约相互牵制、制约的，不应该片面地的，不应该片面地强调某一指标。强调某一指标。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷电荷灵敏灵敏前置前置放大放大器的器的一种一种典型典型电路电路二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例n工作过程工作过程：n半导体探测器半导体探测器D经过经过负载电阻负载电阻由高压电源由高压电源供电供电。为为隔直流电容隔直流电容。Rf用来释放用来释放Cf上积累的信号电荷

26、，上积累的信号电荷，并提供并提供直流负反馈直流负反馈以稳定电路的直流工作点。以稳定电路的直流工作点。Ra表示表示T2管的等效管的等效动态负载电阻动态负载电阻(主要决定于虚线框主要决定于虚线框内内恒流源恒流源的内阻和的内阻和T2管集电极输出电阻管集电极输出电阻) 。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例n这种这种电路的特点电路的特点是：是：(1)T1管的管的等效负载小等效负载小，所以第一级的，所以第一级的电压放大电压放大倍数、输入电容小倍数、输入电容小，开环输入端，开环输入端总电容总电容也就较也就较小。因此，电路容易满足所要求的条件。（共小。因此，电路容易满足所要求的条件。（共基放大