前置放大器学习课件

前置放大器核辐射探测器输出信号幅度用半导体探测器对能量E0为1MeV的射线进行测量，分析输出电压信号幅度的量级（设探测器的结电容C0为10pF）。核电子学中信号的放大放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（由脉冲放大器完成）。核探测器主放大器前置放大器辐射源（弱信号用双芯屏蔽电缆）信号屏蔽电缆线噪声和干扰在信号的产生、传输和测量过程中，噪声会迭加于有用信号上，从而降低测量精确度。噪声：由电子器件本身产生的干扰：来自外部因素交流电网的工频（我国为50赫）干扰；电视和无线电广播干扰；大功率设备的电磁场干扰；直流电源的纹波干扰；仪器（或插件）之间及仪器内接地不良而产生的干扰。只要电路上和工艺上采取适当措施，外部干扰通常可以减小到次要程度

噪声的特点及表示方法噪声是由所采用的元器件本身产生的，原则上可以设法减小但无法完全消除。噪声属于随机过程，它随时间的变化是杂乱无章的，但它服从一定的统计规律。噪声电压的时间平均值等于零。只要有噪声存在，其平均功率就不为零。

噪声的表示—采用均方值作为噪声大小的衡量尺度，即噪声电压的平方值按时间求平均，可得出均方值Vn

输入信号电压Vi探测器放大器（放大倍数A）能量E辐射源VoVno信噪比信噪比—噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪声均方根值的相对值来表示：

等效噪声电压(ENV)核电子学中的噪声在核电子学中遇到的噪声主要有三类：散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f噪声）。在电子器件中，载流子产生和消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些，有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。低频噪声即1/f噪声，又名闪变噪声或过量噪声，其噪声电压随频率的降低而增大。散粒噪声和热噪声的比较来源不同点相同点散粒噪声由载流子产生和消失的随机性引起的，它体现了载流子数目的涨落。1平均电流大，载流子数目涨落大，噪声电流大。2脉冲宽度等于载流子的渡越时间为纳秒级；

在时间域里，都可以表示为随机的脉冲序列，通常近似为随机的冲击序列。它们具有共同的统计特征：都是平稳随机过程，频谱近似为常数（白噪声）。热噪声由载流子热运动引起的电流或电压涨落，通常是在载流子大量存在的情况下发生的。1和温度有关，温度升高，热运动剧烈，噪声电流或电压增加；2与外加电压或流过电阻的平均电流无关。3平均脉宽取决于载流子每秒碰撞次数的倒数，为皮秒级核电子学中噪声的来源核辐射测量仪器中很多器件如探测器、晶体管和电阻等都会产生噪声。它们对于信号噪声比或测量精确度的影响是不同的，其中探测器和前置放大器第一级器件产生的噪声，得到的放大倍数最大，影响也就最严重。探测器中的噪声半导体探测器是反向偏置的PN结，其中存在着三种噪声源。并联电阻Rp的热噪声，Rp是耗尽层或补偿层的电阻串联电阻Rs的热噪声，Rs为探测器非灵敏区的材料体电阻与引线电阻之和探测器漏电流ID的散粒噪声

对于面垒型探测器，Rp约为108-109Ω，在低温下工作的P-I-N探测器，Rp可达1012Ω或更高。通常Rp比前置放大器或探测器的偏置电阻大很多，因此，Rp及其热噪声可以忽略。串联电阻Rs的影响虽然比Rp大，但是对性能良好的探测器来说Rs也可忽略。探测器中的漏电流噪声半导体探测器的漏电流主要由三部分组成：结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流结区内因热激发产生的电子-空穴对所造成的反向电流ID是探测器的反向漏电流。温度升高，ID增加，噪声也随之增大。因此，低温运用可以降低探测器的噪声。

散粒噪声第一级放大器的噪声第一级放大器：噪声性能优越的结型场效应管（JFET：JunctionFieldEffectTransistor。通过扩散或其它工艺，在一块N型(或P型)半导体材料的两边各做一个高杂质浓度的P型区(或N型区)，把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅极(g)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极(s)和漏极(d)。中间的N区(或P区)是电流的通道，称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道(或P沟道)结型场效应管。摘自《模拟电子技术基础》（第三版），华成英主编，高等教育出版社，2001场效应管工作在低温下，噪声降低，有利于提高信噪比。多数载流子在沟道中的热运动产生的热噪声是场效应管的主要噪声源。共源接法核电子学中噪声小结噪声与干扰的区别散粒散射与热噪声的异同核电子学噪声的主要来源：散粒噪声：探测器的反向电流（工艺措施、低温）热噪声：前置放大器的第一级放大器—场效应管（低温）这就是核辐射探测器经常使用LN2制冷或半导体制冷的原因，必要时把前置放大器的第一级放大电路也放在低温下。前置放大器的作用提高系统的信噪比；减小信号经由电缆传送时外界干扰的影响；主放大器通过长电缆与探头相连，主放大器本身和操作人员可以摆脱了现场条件的限制；实现阻抗转换和匹配。前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器积分型前置放大器电压灵敏前置放大器

其中放大器输入端总电容：Ci=CD+CA+CS放大器输入端总电阻：Ri=RL+RA+RCiRi足够大时

i(t)CDCSCA-电压+放大器ViM=QCIVOMViMQ探测器电压灵敏前置放大器Vo(t)Vi(t)电压灵敏前置放大器的特点只要放大器输入电阻足够大，电荷量相同，则前放输出电压脉冲幅度即相同。能量分辨较差。输入总电容Ci与CD、CA、CS有关。当CD、CA、CS变化时，放大器输入端电压脉冲幅度也变化（ViM=Q/Ci）。

电压灵敏前置放大器只适用于稳定性要求不高的低能量分辨系统。交流耦合：隔直电容100pF-1nF，远大于探测器本身电容CD脉冲尾部指数下降，放电时间由Ci*R//RL决定，约为10-100微秒。电缆阻抗匹配前放的上升时间与电荷收集时间和放大器的上升时间等有关，一般在几百ns左右。电荷灵敏前置放大器A0Cf>>Ci+Cf

则VoM

Q/CfiD(t)-+vo(t)CitWCfVOM=Q/CfVo(t)电荷灵敏前置放大器的特点只要Cf保持恒定不变，不论A0、Ci是否稳定，输出电压幅度VoM对输入电荷Q的“放大倍数”都是稳定的。阻容反馈电荷灵敏前置放大器

衰减时间常数：通常为50s（与主放中极零相消电路时间常数的可调范围相配合）。

上升时间：由探测器电荷收集时间和放大器的上升时间等决定，不大于200ns。由于反馈电阻的存在，所以电荷灵敏前置放大器的输出包括一个时间常数为RfCf的衰减部分。iD(t)-+vo(t)CitWCfVOM=Q/CfVo(t)Rf无反馈电阻时有反馈电阻时反馈电阻释放电容上累积的电荷，稳定直流工作点，但是输出脉冲有堆积，且是噪声的主要来源。光反馈电荷灵敏前置放大器

利用脉冲光电反馈，释放电容上不断积累的电荷。通过这个办法可以获得大约100eV的能量分辨率iD(t)=Q(t)VoCf微分与选通VSVo电荷灵敏前放LEDIL电压甄别器VHVoVLVSILVoQCf工作时间恢复时间电荷灵敏前置放大器的主要特性噪声变换增益输出电压的稳定性上升时间噪声

在高分辨的能谱测量中，电荷灵敏前放的噪声是能谱仪系统噪声的一个重要组成部分。它的大小由输入级场效应管、输入端总电容（反馈电容、探测器电容等）、输入阻抗和输入端漏电流决定。

FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/PFC

（3s）阻容反馈，零电容噪声约几百eV，光反馈可小到100eV；对于半导体能谱仪用的前置放大器，噪声斜率一般为十几至几十eV/pF。在电荷灵敏前放中，输出电压脉冲幅度为变换增益在A0>>1时，输出电压脉冲幅度与输入电荷和反馈电容有关。定义变换增益为

当Cf小时，变换增益大，但要求Cf有良好的稳定性。对于硅探测器，W=3.6eV，当Cf为1pF时，ACE等于44mV/MeV。与仅用半导体探测器在10pF电容上输出约为4.8mV/MeV相比较，可以看出，探测器输出信号幅度经过前置放大器后要大一个量级，相对于毫伏量级的一般干扰而言，前置放大器输出信号的抗干扰能要强得多了。输出电压的稳定性当A0>>1时则Ci

、A0分别变化时，有其中，F=Cf/(Cf+Ci)=Cf/Ci称为反馈系数。A0F为反馈深度。深度负反馈时（A0F>>1）上升时间前放输出信号的上升时间与前放本身（放大器的上升时间，一般不超过几十纳秒）的上升时间、探测器电流脉冲持续时间以及探测器极间电容有关。一般小于200ns。如果前置放大器输出信号的上升时间变化，经过成形电路后，会引起信号幅度变化（在后面成形电路中会学到，被称为弹道亏损）。因而会使系统的能量分辨率降低。但只要输出信号的上升时间足够小（tR<200ns），其变化也必将更小，那么因此而引起的能量分辨率的变化可忽略。电流灵敏前置放大器要求：电路中的运算放大器为快放大器，频带足够宽，过渡过程足够快。这样有利于保持快的时间信号。为了避免信号传输中电缆不匹配造成的信号反射，要求在其连接处阻抗要匹配。在实际电路中通常为50。

由带有电阻负反馈的快放大器组成。iD(t)-+io(t)=R1

iD(t)tWR1A传输电缆探测器和放大器距离要足够短，避免震荡探测器和放大器之间距离不得不加大的话，必须考虑阻抗匹配前放种类特点应用注意事项电压灵敏前放VoM=Q/Ci电压幅度稳定性较差慢计数系统、能量分辨要求较低的能谱测量系统电荷灵敏前放VoM=Q/Cf电压幅度稳定性较好能量分辨要求较高的能谱测量系统电流灵敏前放V(t)=Ri(t)电压波形与探测器电流相同快计数系统、时间测量系统系统的时间分辨本领除了与所用探测器有关外，前放的噪声也必须加以考虑。一般情况下，前放上升时间选为探测器上升时间的0.5-2倍之间。前置放大器的选择

在实际应用中，选择前放要考虑探测器的种类来决定前放种类，同时注意前放上升时间