核电子学第5课前置放大器

二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出脉冲上升时间(tr)及其稳定性
上升时间tr，是指输入一个阶跃信号时输出信号脉冲前 沿由幅度 10%的变化到 90%的时间，通常希望前置放 大器在时间上能较快的响应，要求上升时间越小越好。 输出脉冲上升时间tr取决于前置放大器本身的上升时间、 探测器电流脉冲持续时间、以及探测器极间电容。通 常定义前置放大器本身上升时间 tro 是指前置放大器在 输入冲击电流Q·δ(t)时，输出电压的上升时间。
二、电荷灵敏前置放大器
(变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上 升时间、计数率效应)
计数率效应
探测器与 电荷灵敏 前置放大 器采用交 流耦合。
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
计数率效应
上述电荷灵敏前置放大器的主要指标(变换增益、 输出稳定性、输出噪声、输出上升时间和计数率 效应)，为具体电路的设计考虑和分析研究明确了 要求。但应该注意各项指标的性能高低，需要结 合具体物理实验需要，全面权衡考虑，因为实际 上有些指标是相互牵制、制约的，不应该片面地 强调某一指标。
一、概述

1.2前置放大器的分类
电压灵敏前置放大器
探测器极间电容：CD；放大器的输入电容：CA；分布 电容CS。则放大器的输入端总电容：Ci= CD+ CA+ CS
ViM 1 Ci

tw
0
iD ( t )dt Q
VoM ViM Q
一、概述

1.2前置放大器的分类
电压灵敏前置放大器
一、概述

1.2前置放大器的分类
电流灵敏前置放大器
电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接 进行放大。
一、概述

1.2前置放大器的分类
电流灵敏前置放大器
电流灵敏前置放大器输入电阻小，但时间响应较好， 常用作快放大器，不过其相对噪声较大，主要用于时 间测量系统。 从电荷(或电压)灵敏与电流灵敏前置放大器两者输出信 号保留的信息上并没有绝对的差别。但从物理测量的 要求看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能 谱测量分析系统；电流灵敏前置放大器则主要用于时 间测量分析系统。

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
此外，还可以定义能量变换增益 ACE ，它表示相 应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出 幅度的大小。
一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比 探测器直接输出的信号要大一个数量级，相对于毫伏 量级的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力 要强的多。
ACQ
VOM Q
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
在电荷灵敏前置放大器中，反馈电容Cf跨接于放大器的 反相输入端和输出端之间，放大器采用高增益宽带运算 放大器，输出阻抗很小，开环增益Ao很大。
把反馈电容等效到输入端，由于密勒效应，总的输 入电容为：
则
二、电荷灵敏前置放大器
电压灵敏前置放大器的主要问题是输入端总电容Ci决定 于CD、CA和CS，它们不是稳定不变的。例如，放大器 输入电容 CA可能由于输入级增益不稳定而变化；使用 P-N结半导体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容CD 将发生变化等等；这时Ci也就随之变化。当Ci不稳定时， 输出电压幅度也不稳定，在能谱测量中，这将使系统 的分辨率降低。在输入端并联大容量的电容器可减小 输入总电容中不稳定因素的相对影响，然而，这将使 信号幅度减小，信噪比降低。
一、概述
1.2前置放大器的分类
前置放大器按不同的特点有几种分类方法：
与不同的探测器相配，可有不同的前置放大器，如 电离室前置放大器电路，正比计数器前置放大器电 路，半导体探测器前置放大器电路和闪烁探测器输 出电路等。 根据探测器输出信号成形方式的特点分类，前置放 大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放 大器和电流灵敏前置放大器。
二、电荷灵敏前置放大器

定量估算
电路的开环增益
假设射极跟随器电压增益接近于1，而且输入电阻也 足够大；另外 T2共基电路的输入电阻远小于 T1的漏 极负载电阻，则
vo vo 3 io 2 Ro 2 gm Vi Ro 2
增益
| VOM | Ao gm Ro 2 | ViM |
一、概述

1.1前置放大器的作用
合理布局，便于调节和使用
为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要求有一定 的放大倍数，工作稳定可靠，并做成非调节式。
实现阻抗转换和匹配
前置放大器是在探测器和主放大器之间作为一个阻抗转 换器，探测器通常要求后级有高的输入阻抗以便于信号 的输出，而前置放大器通过电缆远距离传送给主放大器 时，则要求有能与电缆阻抗相匹配的低的输出阻抗及传 递信号。

二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性 2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析
一、概述

1.1前置放大器的作用
采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信 号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情 况下，都首先要通过放大器放大后再进行分析。
在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量存在， 工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器。同时，为 了减少探测器输出端到放大器之间的分布电容的影响， 减少外界干扰，提高信噪比，并使连接信号用的高频电 缆阻抗相匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大 器两部分。(在实际测量中，前置放大器的参数很少变动， 而由后面的主放大器来调节。)
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出噪声
在测量中，除了真正有用的信号外，同时由许多噪声 源所产生的噪声与信号叠加在一起，因此要提高测量 精度必须减小噪声，尽量提高信噪比，这一性能指标 对前置放大器电路是很重要的。
前置放大器噪声常用能量半高宽 FWHM来表示，例如 某电荷灵敏前置放大器的噪声特性可表示为 FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/pF ，前一项为无外接电容 时的等效噪声半宽度，后一项为其噪声斜率。
二、电荷灵敏前置放大器

2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例
电荷 灵敏 前置 放大 器的 一种 典型 电路
二、电荷灵敏前置放大器


2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例
工作过程： 半导体探测器D经过负载电阻由高压电源供电。Ｃ 为隔直流电容。 Rf 用来释放 Cf 上积累的信号电荷， 并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。 Ra 表示T2管的等效动态负载电阻(主要决定于虚线框 内恒流源的内阻和T2管集电极输出电阻) 。
二、电荷灵敏前置放大器

电荷灵敏前置放大器具有良好的低噪声性能， 并且其输出信号幅度基本上不受探测器极间 电容、放大器开环时输入电容和电压增益等 参数稳定性的影响。 目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都 是电荷灵敏前置放大器 。

二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
计数率效应
由于探测器输出脉冲在时间上是随机分布的，实际输 出电压Vo是围绕其平均值上下起伏的。 当平均计数率n较高时，输出电压的上下涨落分布可近 似表示为高斯分布。则前置放大器的动态范围应不小 于：
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出稳定性
电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：
放大器开环增益 Ao和输入电容的变化对输出稳定性的 影响为：
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出稳定性
引入反馈深度AoF，则
要提高输出稳定性，减小相对变化量，要求AoF足够大。 一般 Cf取得较小，所以反馈系数 F值也较小，此时放大 器开环增益Ao必须很高。
2.2 Ro 2 Co 2 tro 1 Ao F
二、电荷灵敏前置放大器

定量估算
上升时间
当反馈深度AoF很大的时候，可得
tro
2.2Co 2 (Ci C f ) gm C f
当Ci和gm变化时，对能量分辨率是否有影响？
总结

一、前置放大器的作用与分类
(提高信噪比、减少外界干扰的影响；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)
核电子学与核仪器
第一章重点

核辐射探测器等效电路及其信号引出
第一章重点

核电子学中的噪声
噪声的衡量： 等效噪声电压（ENV）；等效噪声电荷（ENC）； 等效噪声能量（ENE） 核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声；热噪声；低频噪声

积分电路与微分电路
本堂课主要内容：

一、概述
1.1前置放大器的作用 1.2前置放大器的分类

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简 化为： 则输出信号为： 对于电荷灵敏前置放大器，运算放大器的开环增益 Ao 足够大时，电荷变换增益ACQ仅与反馈元件Cf有关，因 此只要采用高稳定精密的反馈电容，就可得到稳定的 电荷变换增益。
二、电荷灵敏前置放大器
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
计数率效应
探测器与 电荷灵敏 前置放大 器采用直 流耦合。
二、电荷灵敏前置放大器

2.1电荷Leabharlann 敏前置放大器的主要特性 计数率效应