组织等效正比计数器的电荷灵敏前置放大器设计_倪宁

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噪声系数测量实验报告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。

第27卷　第3期核电子学与探测技术Vol.27　No.3 2007年　5月Nuclear Elect ronics &Detection TechnologyMa y 2007 基于or CAD 的电荷灵敏前置放大器仿真设计刘良军(南华大学氡实验室,湖南衡阳421001) 摘要:叙述了使用orCAD 软件仿真电荷灵敏前置放大器的方法,半导体辐射探测器的电荷仿真信号源的设计,讲述了一个仿真设计实例。

结果说明软件仿真精度能够满足设计要求,可以代替大部分实验。

关键词:电荷灵敏前置放大器;仿真;半导体辐射探测器中图分类号:　TL81 文献标识码:　A 文章编号:　025820934(2007)0320425203收稿日期:2006208202基金项目:湖南省科技厅重点资助项目(05FJ2003)资助。

作者简介刘良军(63—),男,湖南湘潭人,高级工程师,主要从事氡的测量和核电子学研究 电荷灵敏前置放大器是半导体辐射探测仪器的重要组成部分,电荷灵敏前置放大器的性能直接关系到整个仪器系统的性能。

不同用途的核仪器、不同的测量方法对电荷灵敏前置放大器的性能要求是不同的。

如:用于高精度γ能谱测量的高纯锗谱仪,要求前置放大器具有极低的噪声、快的响应速度和好的线性系数,由于器件因素,这种前放的造价很高。

一般的α总量测量的民用核仪器对前放的噪声和响应速度并没有特殊的要求,性能稳定、造价适中、器件容易购得才是最重要的,因而根据电子市场的实际情况以最短的时间设计性价比最佳的前置放大器模块是核仪器研发工作者的理想。

要达到这种境界,单靠传统的实验板开发模式是不现实的,而靠炒袭或照搬过去老的成熟电路更是行不通。

从开展核电子学虚拟仿真教学和核仪器模拟处理电路局部仿真角度看,电荷灵敏前置放大器的仿真电路能提供接近真实的核脉冲信息,因而是开展上述工作的基础。

随着电子工业的飞速发展,电路设计的软件仿真也在快速的发展和逐步走向成熟,并在现代电路设计和电类专业的教学中发挥了不可替代的作用。

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【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.%High gain photon detectors such as avalanche photo diode (APD) are widely used for high-sensitivity photon detection. However,the high voltage applied to these detectors often makes serious noise. In order to perform high-sensitive photon detection,an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed,which can reduce the power-supply noise by differential amplification. Firstly,the junction capacitance of APD is tested under various bias voltages. Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed with Multisim software. Finally the fabricated circuit is tested. It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differential input can significantly reduce the power-supply noise (both low frequency and high frequency) and realize high sensitivity.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】5页(P190-194)【关键词】电荷灵敏前置放大器;APD;差分放大;Multisim仿真;电源噪声【作者】肖海军;张流强;肖沙里;李先仓;黄振华【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TN291 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。

【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。

空间粒子探测器前置放大器的分析设计作者：王猛闫子为来源：《电子技术与软件工程》2015年第13期目前高分辨率的能谱测量中，低噪声的电荷灵敏前置放大器往往是不可缺少的重要组成部分。

本文着重分析讨论了影响探测器性能指标的放大器重要参数。

【关键词】前置放大器电荷灵敏度噪声1 放大器参数分析及设计考虑1.1 电荷灵敏度带电的粒子在传感器当中会聚集一定的能量，生成电子空穴对，经由高压电场的影响，会在传感器的输出口聚集一定的电荷量，因为有传感器等效电容的大量存在，所以等效输入电压会产生。

1.2 时间常数因为半导体探测器所具有的结电容想要正常运转需依靠电压来进行，此外，就是其比较稳定了，也不可以将其看成是常量，因此对电流脉冲进行积分的时候，就应该选取电荷灵敏前置放大器来进行，它的等效电路情况如图1所示。

它输进来的那部分（一般采用场效应管）由跨导和内阻来描述。

前置放大器里面具有决定作用的那部分积分常数一般是由其输入级的输出阻抗 R//和寄生电容来控制的，它的表达公式即：1.3 噪声分析在电子系统里面所存在的噪声是影响其性能、质量以及可靠性的主要原因之一。

在前置放大器里面，仪器所具有的分辨率以及灵敏度都是由其噪声的大小来控制的。

跟半导体连接在一起的前置放大器，就是在没有相关的输入激励源的时候，也会有一些电压V输出（t）存在于输出端口，这些电压会用随机的方式在其所具有的平均值范围内不断起伏，这就是所谓的噪声。

根据具体电路的情况，把前置放大器所产生的噪声经由成型电路以后，能够获得等效噪声电荷（ EN、EN为 a、b 等效噪声电荷，这这里面 a 噪声是根据场效应管的沟道热噪声及栅极电容感应噪声而产生的，但 b 噪声则是由场效应管栅极漏电流及探测器漏电流而生成的散粒噪声以及输入端电阻的热噪声而产生的）即：在公式里：和分别代表的是总并联电容与总并联电阻；和分别代表的是场效应管的跨导及栅-源覆盖电容；和分别代表的是场效应管的栅极漏电流和探测器的漏电流。