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万方数据万方数据激光与红外Ｎｏ．１２０１１徐伟等用于ＡＰＤ激光探测的电荷灵敏前置放大器设计２９对转换后的电压信号进行放大。
与电流灵敏前置放大器不同的是，它无法保留输入电流信号的形状特征。
反馈电阻Ｒ，起释放电荷的作用，释放时间满足公式：ｆ＝Ｒ卢，。
尺，太小会增加噪声，太大无法按时释放电荷。
只要使得释放时间小于激光脉冲周期即可，一般取值几十到几百兆欧姆量级。
整个电荷前置放大器的增益可以表示为：Ａ＝ｇ。
尺ｄ・Ｇ（４）式中，ｇ。
是ＪＦＥＴ的跨导；Ｒｄ是漏极电阻；Ｇ是运放的开环增益。
图３电荷灵敏前置放大器放大器输出电压可以表示为：一¨ｉ。
＝罟（忐）（５）式中，ｃｉ包括ＡＰＤ结电容、放大器的输入电容和引线分布电容。
由于放大器的增益Ａ》１＋ｃ／ｃｓ，所以式（５）可以简化为：ｐ矽ｗｔ２玄（６）由式（６）可以看出，输出电压仅仅决定于ｃｚ与Ｑ的大小，只要ｃｆ值稳定，输出电压与输入的电荷信号成正比关系。
放大器输出电压不受ＡＰＤ结电容，运放输入电容、运放增益等参数的影响，稳定性更高。
激光脉冲持续时间极短，可以近似为冲激响应。
对于单个脉冲，ＡＰＤ在某一时间内产生的电荷量可以表示为：ｌＱ＝Ｉｉ，ｄ。
，０≤￡≤ｔ。
，０≤ｉ。
≤ｉｅ（７）ｂ式中，ｉ。
是激光脉冲在时刻ｔ时的电流值；ｔ。
是激光脉冲的持续时问；ｉ。
为激光脉冲的电流峰值。
由式（７）可以看出，电荷量的积累时间，即输出电压的上升时间与激光脉冲的持续时间相一致。
当ｔ＝ｔ。
时，Ｑ达到峰值，即输出电压ｐ。
达到峰值。
假设激光脉冲宽度ｔ。
为５０ｎｓ，反馈电容ｃｆ为１ｐＦ，对于大小为５ｎＡ的暗电流，被积分后对应的误差电压最大值仅为０．２５ｍＶ。
４实验测试实验中采用重复频率１０ｋＨｚ，脉宽３１．２５ｎｓ，波长９０５ｎｍ的激光束作为探测目标，硅传感器公司ＡＤ５００—９型号的ＡＰＤ作为探测元件。
整个实验在室温下进行，没有对ＡＰＤ进行低温处理。
图４是电荷前置放大器的输出脉冲波形。
输出信号电压峰值７０ｍＶ，衰减时间１４０Ｉｘｓ。
核电子学复习资料第一章1、核电子学：核科学与电子学相结合的产物，用电子学的方法来获取和处理核信息的科学。
2、核电子学的特点：①输出的电脉冲信号强度在纳秒到微妙量级；②输出的电脉冲信号有随机性、非周期性、非等值性；③测量精度要求高；④信息量大；⑤本底事例多。
3、核电子学发展趋势：①标准化、插件化、集成化；②电子技术和计算机技术紧密结合。
4、核电子学测量系统的三部分：①模拟信号获取和处理系统；②模数转换系统；③数据获取处理系统。
5、为什么需要辐射探测器？不能感知，需要借助辐射探测器探测各种辐射，给出辐射类型、强度、能量及时间等特征。
即对辐射进行测量。
6、核辐射探测器定义：利用辐射在气、液、固体中引起的电离，激发效应或其他物理化学进行辐射探测的器件。
7、核辐射探测器的分类，按作用机制可分为：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。
8、辐射探测器基本过程：①辐射粒子摄入探测器的灵敏体；②入射粒子通过电离、激发等效应在探测器中沉积能量；③探测器通过各种机制将沉积的能量转换成某种形式的输出信号。
9、辐射探测器的要求和特点：通常核辐射探测器的输出信号是随机分布的电荷或电流脉冲（时间特性、幅度分布上的非周期性和非等值性）。
由脉冲及相关参数所得到的信息：脉冲所携带的电荷量、脉冲出现的准确时刻、脉冲的形状。
10、核电子学信号特点：①随机性；②信号弱，但跨度大；③速度快。
11、探测器的主要类别和输出信号：根据给出信息，分为：电信号、非电信号电信号：气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M管等）、半导体探测器（P-N结、PIN结、高纯锗等）、闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）探测器输出信号的特点：①产生相应的输出电流，可等效为电流源；②有一定时间特性，可用于时间分析；③输出电熔上取积分电压信号，可做射线能量测量。
12、核辐射探测器的性能：探测效率：探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。
输出幅度：由平均电离能和入射离子能量决定。
第40卷第2期 2020年3月核电子学与探测技术Nuclear Electronics Detection TechnologyVol. 40 No. 2Mar. 2020新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计熊思，高超嵩％黄光明，孙向明(华中师范大学物理科学与技术学院夸克与轻子物理教育部重点实验室，武汉430079)摘要：为满足T o p m etal-S芯片研制需求，设计了一种低噪声电荷灵敏前置放大器。
该电荷灵敏前置放大器在0. 35 p m商业标准工艺上完成设计,采用单端折叠共源共栅结构，其等效输人电荷噪声约为56.47 e_，电荷转换增益为223.40 m V/fC，上升时间为633.30 n s;开环增益为74.94 dB,线性度在3. 70%以内的输入电荷范围为0~6. 50 fC。
关键词：电荷灵敏前置放大器；低噪声；T opm etal-S;等效电荷噪声中图分类号：T L821 文献标志码：A文章编号：0258 — 0934(2020)2 — 0353 — 06寻找无中微子双卩衰变是近年来核物理与 粒子物理领域的研究热点之一，通过能谱测量 和径迹重建，能够提高对本底事件的抑制能力，进而提高对无中微子双P衰变确认的准确度。
以高压气体为媒介的时间投影室（TPC)配合低 噪声的电荷读出方法是最有潜力同时实现能谱 测量和径迹重建的探测器[1]。
传统的高压气体 T P C采用电致发光技术，能够获得优越的能量分辨率，但在电荷径迹和探测器规模扩展方面存在局限性，替代方案是微网格气体探测器，但 其涉及气体雪崩增益会严重降低探测器的能量 分辨率，因此，理想的方案是无气体雪崩放大的 像素电荷读出方法。
华中师范大学硅像素实验 *收稿日期：2019—12—17基金项目：国家自然科学基金青年项目（11805080)、国 家重点研发计划项目（2016Y FE0100900)资助。
作者简介：熊思（1996—），女，江西九江人，在读硕士生，攻读方向为模拟1C设计研究。
CR-110电荷灵敏前置放大器Cremat公司的CR-110是一个单通道电荷灵敏前置放大器模块，它被广泛用于多种辐射探测器。
例如：半导体探测器，雪崩光电二极管和各种气体探测器。
在Cremat公司的众多前置放大器模块中，CR-110的体积是挺小巧的（模块面积小于一平方英寸），这样就允许用模块化的设计制作一个紧凑型多通道探测系统。
本课题是以CR-110电荷灵敏前置放大器模块为核心，制作一个能够正常使用的电荷灵敏前置大器。
制作过程包括电路板设计，铝盒加工，线路连接和波形调试。
此课题虽然没有很大的难度。
但是整个过程非常偏重于实践，比如铝盒加工打孔，线路焊接等操作都很考验实验者的动手能力。
制作过程中，也能自然而然了解到电路板的设计，测试板各个连线的作用。
非常有助于我们了解电荷灵敏前置放大器的工作原理。
再结合以前学的课本上的知识，更能温故知新。
我们作核辐射测量时，一般采用电子学方法，应该对探测器输出的信号进行处理，包括对获取的信号进行放大，成形，甄别，变换分析，记录等等。
因探测器输出信号小，一般都要先通过放大器放大才能测量。
所以信号放大是核电子学信号处理一个必要部分。
实际测量中，探测器附近必然有一定辐射剂量。
工作人员测量时必须远离辐射现场。
我们一般把放大器分成前置放大器和主放大器，这样做是为了减少放大器输入端和探测器输出端之间的分布电容的影响，也可以弱化外界干扰，有效的提高信噪比，使信号用的高频电缆的阻抗相应匹配，。
前置放大器也称作为预放大器，体积小，靠近探测器，其输入端与探测器输出配合，有些前放甚至和探测器组成一个模块，我们称之为“探头”，输出的信号再经高频电缆和主放大器连接。
前置放大器参数很少在测量过程中变动，一般由主放大器作放大倍数和成型时间常数的调节。
第二章前置放大器2.1前置放大器的作用和特点前置放大器的作用和特点可以从下面几个方面说明：（1）提高系统信噪比核辐射探测器一般贴近辐射源.所以探测器往往在强辐射场，狭小空间，恶劣环境或工作人员不宜在现场，也不适合用大体积的仪器。
【实验目的】1.研究电荷灵敏前置放大器的放大特性；2.学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法；3.了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性。
【实验仪器】我们以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象，现将其有关问题做一介绍：1．框图、线路图：（1）框图：（2）线路图（供参考）【实验内容】1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
（1）测试原理：实验线路如下图所示：在前放的检验端输入幅度为V i （带负载情况下的幅度）的负阶跃脉冲，则输入电荷Q i＝i C V C 。
输入电流则近似为冲击电流Q i δ（t ）。
测出输出幅度V o ，则变换增益为：o o c i c iV VA Q C V == 测量输出信号下降时间常数即为前放输出脉冲衰减时间常数。
本前放pf 1C ,pf 1C ,10R c f 9f ==Ω=，最大输出幅度2V 。
将信号发生器输出幅度调为约为2V （2）理论思考：① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o V 受c C 的影响吗？将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的c A ，有影响 例如：若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？pf 5.0C c =，V i =4V ；2pf ，V i =1 V② V i 的极性、幅度、脉宽及周期的上、下限应如何考虑？ 极性：负极性a. 若V i 如下图，V o 该如何？b.若V i 如下图，V o 又该如何？答：这两个图的差别主要是输出信号是否能在一个水平端完成衰减，因为我们要测量时间常数，所以选择a ，让输出信号有足够的时间稳定下来。
为方便f f f C R =τ= 1ms 的测试，你选上述a 、b 中的哪种V i ？【a 】 （思考：对指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τtM o eV t V -=)(那么经过τ=t 时间，M MtM o V eV eV t V 37.0)(≈==-τ，可否利用此结果来测出τ？ 答：可以，用示波器的幅度和时间测量可以完成该测量。
第一章1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。
1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ-=时，求此电流脉冲在探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。
V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)]= I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]}∴当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ∴1.5 如图，设，求输出电压V(t)。
1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE不是1.7 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。
115.6610A -==⨯=35.6610DI -=⨯=1.8 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。
52.8810V -===⨯∵212E CV =∴0.126V V ==1.9求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。
1.10 电路中，若输入电压信号V i （t ）=δ（t ），求输出电压信号V 0（t ），并画出波形图，其中A=1为隔离用。
t1.12 设一系统的噪声功率谱密度为2222()//i S a b c ωωω=++，当此噪声通过下图电路后，求A 点与B 点的噪声功率谱密度与噪声均方值。
