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电荷灵敏前置放大器【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。
电荷灵敏前置放大器用户手册中国·四川·成都2012年12月第1版目录1.概述 (1)2.指标性能规格说明 (1)2.1 指标 (1)2.2 输入 (2)2.3 输出 (2)2.4 功耗和机械 (2)3.安装 (2)4.操作指南 (2)5.电路描述 (2)6.联系方式 ................................................................................. 错误！未定义书签。
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电荷灵敏前置放大器1.概述电荷灵敏前置放大器是用于金硅面垒探测器、3He正比计数器、BF3正比计数器的前置放大器。
可与探测器、线性放大器、多道分析器一起组成脉冲幅度分析测量系统，如图1所示。
图 1 电荷灵敏前置放大器的应用2.指标性能规格说明2.1 指标上升时间< 200ns输出噪声≤140eV积分非线性≤±0.02%温度系数±0.01%/℃输入电容可调100～1000pF增益1~5倍可调2.2 输入低压电源前面板3芯航空插座，下面写有“低压“，接放大器直流电压输出，向前置放大器提供±6V低压电源。
高压电源前面板3kV高压插座，下面写有“高压“，接高压电源输入。
接探测器后面板BNC插座，下面写有““接探测器”，接到探测器。
第43卷第2期激光与红外Vol．43，No．2 2013年2月LASER＆INFRARED February，2013文章编号：1001-5078（2013）02-0190-05·电子电路·电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计肖海军，张流强，肖沙里，李先仓，黄振华（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030）摘要：在高灵敏度光电探测领域，常常采用雪崩二极管（APD）等高增益探测器，这些探测器通常需要上百伏的工作电压，因此电源噪声对探测器的性能影响很大。
针对单光子探测的需要，论文提出了一种电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计，通过采用匹配的差分输入，可以有效抵消电源的共模噪声。
论文首先对APD探测器在不同偏压下的结电容进行测试，然后采用可调电容对APD电容进行匹配，用MultiSim对提出的电路进行了仿真分析，最后制作实验电路进行了测试和验证。
结果表明：差分输入电荷灵敏前置放大器能够有效消除电源噪声（包括低频噪声和高频噪声），实现高灵敏度的光探测。
关键词：电荷灵敏前置放大器；APD；差分放大；Multisim仿真；电源噪声中图分类号：TN29文献标识码：A DOI：10．3969/j．issn．1001-5078．2013．02．016Power supply denoising design for charge-sensitive preamplifierXIAO Hai-jun，ZHANG Liu-qiang，XIAO Sha-li，LI Xian-cang，HUANG Zhen-hua （Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems attached to Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400030，China）Abstract：High gain photon detectors such as avalanche photo diode（APD）are widely used for high-sensitivity photondetection．However，the high voltage applied to these detectors often makes serious noise．In order to perform high-sen-sitive photon detection，an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed，which can reducethe power-supply noise by differential amplification．Firstly，the junction capacitance of APD is tested under variousbias voltages．Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed withMultisim software．Finally the fabricated circuit is tested．It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differ-ential input can significantly reduce the power-supply noise（both low frequency and high frequency）and realize highsensitivity．Key words：sensitive charge preamplifier；APD；differential amplification；Multisim simulation；power-supply noise1引言高灵敏度光探测器在成像、光谱和光通讯领域有着广泛的应用，随着应用需求的发展，高速和高灵敏度光探测器越来也受到业界的重视，其最新发展就是以单光子探测为标志的新型光探测技术。
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。
电荷灵敏前置放大器噪声系数测量实验报告班级：姓名：学号：一、实验目的1、研究电荷灵敏前置放大器不同功率谱的噪声成分及其特性；2、通过实验数据定量分析成形时间对等效噪声电荷（ENC）的影响，从而分离出各个噪声成分；3、加深对电荷灵敏前置放大器噪声ENC的理解，同时熟练掌握电荷灵敏前放的噪声测试方法以及主放和多道分析仪等常用核仪器的使用。
二、实验原理核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要加以放大再进行测量。
其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。
前置放大器的主要作用有两点：1、提高系统性噪比；2、减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。
探测器将粒子的信息转化成电流或电压信号后直接传入紧跟其后的前置放大器。
经前置放大器放大、成型后传输到线性放大器，经后续的电路处理得到粒子的电荷、能量、速度、时间等信息。
前置放大器紧跟探测器，一般直与和探测器做成一体，这样有利于提高信噪比，信号经前放放大，抗干扰能力增强，以方便较远距离的传输。
在能谱和时间测量系统中，前置放大器按输出信号所保留的信息特点，大致可以分为两类。
一类是积分型放大器，包括电压灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器，它有输出信号幅度正比于输入电流对时间的积分，即输出信号的幅度和探测器输出的总电荷量成正比。
另一类是电流型放大器，亦即电流灵敏前置放大器，它的输出信号波形应与探测输出电流信号的波形保持一致。
前置放大器有多种，总的来说可以分为积分型放大器（包括电压灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器）和电流型放大器（主要是电流灵敏前置放大器）。
电荷灵敏前置放大器原理图如下：图1 电荷灵敏前置放大器原理图由于前置放大器的噪声将经过主放大器的放大输出，所以其对最后信号的信噪比影响很大，本实验就是要测定前置放大器的噪声系数。
前置放大器的噪声主要包括沟道热噪声、输入端串联电阻噪声、晶体管沟道1/f噪声、探测器漏电流散粒噪声、反馈电阻噪声、前放输入晶体管漏电流散粒噪声等。
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。
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。
【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 i
V V
A 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 V
② 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：
τ
t
M o e
V t V -
=)(
那么经过τ=t 时间，M M
t
M o V e
V e
V 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。
有的同学想用 2.2r t τ=，那么在我们实验中r t 应如何读取？此时对波形有什么要求？ 答：r t 应该选取从信号幅度90%降到10%的一段。
需要注意的是，本次实验中，在测量这个参数的时候，应该把输入信号的前端t s 调的小一点，让信号完全降到0位置，然后再通过示波器去测量，这样结果更加准确。
2．用示波器或高频毫伏表测前放的噪声和噪声斜率
（1）理论准备：
因前放等效噪声是成形电路的函数，因此测前放的噪声应在由前放和主放滤波成形组成的系统中进行测量，系统中主放的噪声常常可以忽略，这时测量的噪声则近似为前放的噪声。
① 复习《核电子学讲义》有关等效噪声电荷ENC 和等效噪声线宽FWHM 概念。
（粗看）
② 测试电容c C 的作用是什么？其值是否会影响前放c A 的大小？对c C 应有什么要求？ 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 ，C c 如果取得太大，噪声会很大，C c 如果取得比较小，信号的幅度就比较小，信噪比就不是很好，所以应该存在一个合适的值满足要求。
③ 为加深理解“前放等效噪声是成形电路的函数”及其他相关概念，请思考下列问题： 在原某一测量的前放等效噪声的基础上，改变其中的某一条件，请分别回答以下二个问题：
第一个问题：在系统中测量出的输出端噪声no V 大小变否？ 第二个问题：等效到前放输入端的噪声大小ni V 变否？ 改变的条件：
★ 由4
RC CR -滤波形式变为RC CR -形式 【会变】 【会变】 ★ 时间常数由1d i s ττμ==变为4d i s ττμ== 【会变】 【会变】
★ 改变主放大器的放大倍数由512变为256 【会变】 【不会变】 ★ 换前放输入端的探测器（可能会有C D 变化，也可能有S i 、G e 材料的变化）【会变】 【会变】 （2）测量线路：（如下图）
其中：主放是带滤波成形的谱仪放大器；电容调整器小盒可用开关改变总电容C 的大小；由示波器测得的噪声的峰峰值pp V ，则2
2pp no V V ≈。
若用高频毫伏表测得噪声有效值为no V ，则由
no V 可计算出等效噪声电荷ENC 和等效噪声能量线宽FWHM 。
【实验步骤及实验数据记录和处理】 一、 测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
1. 连接线路，正确选择输入信号参数和仪器各旋扭位置。
（建议取V V i 2=，
ms t W 5.1=，ms T 6=左右）
2. 将Vi 信号输入到前放“检验”端，用示波器测Vi 、Vo 、衰减时间常数 ，用测得的数据
计算Ac 大小。
数据记录如下：
1. 粗测系统，使其正常工作；断开电容调整器。
将合适的i V 接入前放的“检验”端，用示波器
观测前放输出的1o V ，主放输出2o V 。
（想想看，此时1o V 的衰减时间常数还是否f τ？为何？注意，此时主放的输入阻抗已作为前放的负载）
答：1o V 的衰减时间常数将不再是f τ，因为此时主放的输入阻抗已作为前放的负载，所以R f 有变化，时间常数也就变了
2. 断开i V ；将电容调整器直接接至前放“输入”端。
主放s i d μττ1==，0A 最大。
3. 依次改变电容调整器的电容量：0、10、20、80、100、200、300pf 。
分别用示波器或高频毫
伏表测量输出端的噪声，注意输出端的噪声随C 的变化规律。
4. 改变i d ττ=值，与③情况加以对比。
5. 改变0A 之大小，与③情况加以对比。
由④⑤实验结果与③的对比情况再回头理解（1）③中的思考问题。
数据记录如下表格：
对三次测量结果进行直线拟合：
等效噪声电压V n o
电容值/pF
拟合曲线：y =0.72x +42.76
等效噪声电压V n o
电容值/pF
拟合曲线：y =0.49x +22.61
等效噪声电压V n o /m V
电容值/pF
拟合曲线：y =0.43x +17.58 数据分析：
首先从三幅图中可以看出的死，数据曲线均呈线性，这表明实验和理论符合的比较好，其噪声指标往往分两项给出，一项是零电容噪声，它表示前置放大器的固有噪声，即不带探测器、不外加电容时的噪声；另一项是噪声斜率，它定义为前置放大器输入端对地每外加1微微法的电容时噪声增加多少；噪声斜率用来估计在接上探测器时，它的极间电容对噪声的影响。
然后通过三幅图都可以明显看出等效输出噪声电压值随着在输入端外加电容的增大而增大； 从第一幅图和第二幅图可以看出，放大器时间常数改变，等效输入噪声也会有变化，本次实验中，当τd ，τi 从1μs 下降到0.5μs 时，等效输出噪声电压值下降；从第一幅图和第三幅图可以看出，当主放的放大倍数变小时，等效输入噪声变小 三、 观察前放外壳的屏蔽作用[教师操作]
滤波成形：s i d μττ1==，2560=A （细调不动，即最大），C=0pf ，观察输出端噪声no V 的大小。
其余不动，用改锥打开前放屏蔽外壳，观察输出端噪声的变化，了解前端电路屏蔽的重要性。
实验分析：
这个实验由于实验关系没有进行，但是在上述实验过程中，实际上已经遇到了类似的问题，在步骤2中，当输入端空载时，如果不用铝箔对外面进行屏蔽，输出波形噪声非常大，由此可见，外壳的屏蔽作用是很大的。
四、 运用国外主放和前放完成上述步骤3 实验分析:
实验中发现，当成套使用进口仪器时，噪声很小，在没有屏蔽的情况下输出信号已经比较理想。
由于前放的端口和电容小盒不匹配，所以没有进行后续的测量。
但是通过定量的观察波形，可以看出国内在核仪器的制造上还是有很长的路要走的。
