电荷灵敏前置放大器在核电子学中的发展现状

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。

Multisim仿真软件在分析电荷灵敏前置放大器中的应用（完整版）doc资料第27卷第3期核电子学与探测技术Vol.27No.32020年5月Nuclear Elect ronics &Detection TechnologyMay 2020Multisim 仿真软件在分析电荷灵敏前置放大器中的应用周超1,杨彬华2,赵修良1,尹陈艳1(1.南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;2.北京核仪器厂,北京100020摘要:利用电子电路仿真设计软件Multisim 对核电子学中的典型电路电荷灵敏前置放大器进行了仿真测试。

在结合理论分析的基础上,仿真分析了前放的一些基本特性如输出增益、输出脉冲上升时间、噪声、输入输出阻抗和带宽等,得出了与理论分析相符合的结果,对理论分析有较大的帮助和参考价值。

关键词:Multisim ;仿真;核电子学;电荷灵敏前置放大器中图分类号:TN722.71;TP274文献标识码:A 文章编号:025820934(20200320502205收稿日期:2020202122作者简介:周超(1978-,男,湖南衡阳人,硕士生,从事核电子学方面的研究电荷灵敏前置放大器是目前核探测高分辨能谱测量系统中用得最多的一种前置放大器。

它输出增益稳定,噪声低,性能良好,是核电子学技术课程中重点分析的基本放大电路。

但由于电路结构较复杂,在进行理论教学时,部分学生难以很好的理解其工作原理和基本特性,在实验课时又由于理论没有理解透,较难达到满意的实验效果。

而电子仿真软件为我们提供了一个较好的手段和方法来帮助分析如电荷前放等较复杂的电路。

在应用时可以先进行理论分析,再用软件绘制好仪器电路进行仿真,无论全局还是内部电路某点都能给出实时动态的理论数据与信号波形,这样就给予了学生一个直观的感性认识和印象,再进行实验课时也预先有了一定的直觉判断,能够较好的联系理论来对实验测量结果进行认知和判定。

这样通过仿真软件的应用不仅可以加深理论的学习与提高,也可以提高实际的动手实验能力,更好的达到教学目的。

1、名词解释：核电子学：物理学、核科学与技术、电子科学与技术、计算机科学与技术等相结合而形成的一门交叉学科。

核辐射探测器：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。

核仪器：是指用于核辐射产生或测量的一类仪器的统称。

能量-电荷转换系数：设辐射粒子在探测器中损失的能量为E，探测器产生的电子电荷数为N，则N/E称为探测器的能量-电荷转换系数θ。

θ=N/E能量线性：定义：是指探测器产生的离子对数平均值和所需消耗的粒子能量之间的线性程度。

探测器的稳定性：探测器中能量-电荷转换系数在环境温度T和电源电压V变化时的稳定性。

核电子学电路的稳定性：核电子学电路中能量-电荷转换系数在环境温度T和电源电压V变化时的稳定性。

信噪比：信号幅度与噪声均方根值之比冲击函数：系统函数：H(s)=Uo(s)/Ui(s)极点：系统函数中使分母为零的点零点：系统函数中使分子为零的点有源滤波器：将RC积分网络接在放大器的反馈回路里，就构成有源积分电路，或称为有源滤波器。

积分谱：改变阈电压U T，测量到相应的大于U T的脉冲数N(U T)，得到N(U T) - U T 分布曲线，得到的就是积分谱微分谱：从阈电压U Tn上的脉冲计数减去阈电压U Tn+1上的计数就可得到阈电压上间隔ΔU=U Tn-U Tn+1中的计数ΔN。

ΔN和U T的关系曲线，就是脉冲幅度分布曲线（微分谱）仪器谱：仪器实测得的能谱脉冲幅度分布谱：积分谱和微分谱道宽：Uw=Uu - U L > 0时间移动：输入脉冲的幅度和波形的变化引起定时电路输出脉冲定时时刻的移动时间晃动：系统的噪声和探测器信号的统计涨落引起的定时时刻的涨落时间漂移：元件老化、环境温度或电源电压变化（属于慢变化）引起的定时误差慢定时：μs量级的定时快定时：p s量级的定时（还有ns的说法）自然γ全谱：用仪器测得的，能量在及时keV-2.62MeV的自然γ仪器谱。

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。

电荷灵敏前置放大器的饱和问题初步探讨
吴军龙;王永亮
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2013(000)011
【摘要】从电荷灵敏前置放大的工作原理入手，通过分析探测器输出等效脉冲序列特点，结合放大器实际工作物理过程，推导出电荷灵敏前置放大器的上限取值，同时给出计数率Ni 与i倍的时间常数的关系及数值分析结果，为设计电荷灵敏前置放大器考虑饱和上限提供理论依据。

【总页数】3页(P1306-1308)
【作者】吴军龙;王永亮
【作者单位】西南科技大学国防科技学院，四川绵阳621010; 西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳621010;韩城矿务局下峪口机电动力部，陕西韩城715405
【正文语种】中文
【中图分类】TL821
【相关文献】
1.基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制 [J], 侯铁钢;李元东;邱腾;陈健;陈小兰
2.基于多路电荷灵敏前置放大器构建多路剂量测量系统 [J], 邢桂来
3.新型电荷灵敏前置放大器研制 [J], 李元东;葛良全;陈健;侯铁钢;邱腾
4.新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计 [J], 熊思;高超嵩;黄光明;孙向明
5.Spice法预测电荷灵敏前置放大器噪声 [J], 袁国梁;杨青巍;温左蔚;魏凌峰;赵丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大
器设计的开题报告
背景介绍：
MicroMegas探测器是一种高精度、高灵敏度的粒子探测器，广泛应用于高能物理实验等领域。

为了提高探测器的信噪比和精度，需要采用
一种高性能的电荷灵敏前置放大器来进行信号放大。

研究目的：
本文旨在设计一种适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，以提高信噪比和精度。

研究内容：
1. MicroMegas探测器信号特点分析；
2. 前置放大器电路方案设计；
3. 前置放大器性能测试及优化。

研究方法：
1. 分析MicroMegas探测器信号特点，确定前置放大器电路需求；
2. 根据需求，设计前置放大器电路方案；
3. 利用模拟仿真软件对电路进行仿真分析，优化设计；
4. 进行前置放大器的制作、测试和性能优化。

预期结果：
设计出适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，具有高信噪比、高精度、低功耗等优点，能够提高探测器的检测灵敏度和准确度。

研究意义：
本研究将为MicroMegas探测器的信号放大技术提供新的思路和方法，为相关研究领域的进一步发展提供技术支持。

同时，设计出的前置放大
器也可应用于其他领域的粒子探测器中，具有良好的应用前景。