核电子第2章++前置放大器

第二章前置放大器

内容提要

§1.概述

一.前置放大器的作用

二.前放的分类(按与配的探测器分类略)

§2.电荷灵敏前放

一.主要特征

二.电荷灵敏前放基本电路和实例分析

三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施

四.电荷灵敏前放的改进（略）

五.电荷灵敏前放噪声的实验测量

§3.电压(灵敏)前置放大器

§4.电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）

§1.概述

一.前置放大器的作用

前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输出经高频电缆与主放大器相连。

1.提高系统的信噪比图2.1.1

（前放紧靠探测器，传输线短，分布电容Cs减小,提高了信噪比）

2.减少外界干扰的相对影响图2.1.2

(信号经前放初步放大.)

3.合理布局,便于调节与使用

(前放为非调节式,主放放大调节倍数、成形常数)

4.实现阻抗转换和匹配

(前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗)

BACK

二.前放的分类(按与配的探测器分类略)

按探测器输出信号成形方式的特点分类:

1.电压灵敏前放(电压放大器)图2.1.3

Ci=CD+CS+CA

VoM∝ViM∝Q

2.电荷灵敏前放(带有电容负反馈的电流积分器)图2.1.4

Cf稳定VOM稳定

3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器)图2.1.5

1,2用于能谱测量,3用于时间测量.

§1习题（P56—57):2.1§2.电荷灵敏前放

输出增益稳定、噪声低、性能良好

一．主要特征

1.变换增益(电荷灵敏度)

能量变换增益

2.输出稳定性

令F=Cf/(Ci+Cf)≈Cf/Ci

若A0>>1,A0F>>1。

A0F足够大时，稳定。

3．输出噪声（能量噪声半宽度）

例：能量噪声半宽度FWHM(Ge)=1Ke+0.03Ke/PF

（无电容时等效噪声能量半宽度噪声斜率）

4．上升时间（tr）:输入冲击电流Qδ(t)时上升时间（10%-90%VOM时间）,101ns级

5．计数率效应：堆积，输出动态范围，最高计数率问题。

图2.2.2

图2.2.3

图2.2.4

BACKBACK二．电荷灵敏前放基本电路和实例分析

图2.2.5

1.电路分析（输入级T1；放大级T2；输出级T3、T4）

偏压及滤波；测试；反馈

正反馈R6C7改变输出脉冲上升时间；退耦LC、RC。

2．定量估算

(1)开环增益A0

v0≈ve3≈ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2

A0=|VOM/ViM|=gmR’a2=gmRa2/(1-A3)≈3000倍

(2)上升时间

tr0=2.2Ra2Ca2/(1+A0F)≈2.2Ca(Ci+Cf)/(gmCf)≈22ns

图2.2.6

BACK

BACK三．电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施

1．前放串联噪声和并联噪声(图2．2.7)

噪声源：探测器漏电流ID噪声、电阻RD热噪声、场效应管栅极电流Ig噪声、场效应管沟道热噪声、场效应管闪烁噪声、反馈电阻热噪声。

(1)并联电流噪声源(di2）

(2)串联电压噪声源(dv2)

di2=(ωCΣ)2dv2的证明图2.2.8

2.a噪声和b噪声和c噪声（频率的依赖关系）

a噪声—与ω2成正比的并联电流噪声；b噪声—无关

c噪声—与ω成正比的输入并联电流噪声。

输入总并联电流噪声：

输出总电压噪声：

=(a2+b2/ω2+c2/ω2)dω

3、降噪措施

(1)输入级采用低噪器件

(2)运用低温

(3)减小冷电容CΣ

(4)反馈电阻Rc和探测器负载电阻RD.

四.电荷灵敏前放的改进（略）

图2.2.10

图2.2.11

图2.2.12

图2.2.13

五.电荷灵敏前放噪声的实验测量

1.噪声对信号幅度谱的展宽测量噪声

图2.2.14FWHMNE=(FWHMx)(E2-E1)/(x2-x1)

2.示波器、宽频带电压表测噪声

FWHMNV=2.36Vn0

Vn0：输出均方根值

§2习题(P56—57)：

2.22.42.6

BACK§3.电压(灵敏)前置放大器

一般电路的形式图2.3.1

A=v0/vi=(R2+R1)/R1

采用FET作输入极的电压灵敏前放图2.3.2

电压前放的一个实例图2.3.3

BACK§4.电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）

电荷/电压灵敏前置放大器图2.4.1

低噪声电流的前置放大器图2.4.2

AI=I0/Ii=Rf/RLRf较小

特点：

（1)快响应，可获得时间信息。

(2)可远距离传输。