前置放大器詳細課件

1、第二章第二章 前置放大器前置放大器 u前置放大器的作用與分類；前置放大器的作用與分類；u電荷靈敏放大器；電荷靈敏放大器；u電壓靈敏放大器；電壓靈敏放大器；u電流靈敏放大器。電流靈敏放大器。 11 概概 述述一、前置放大器的作用一、前置放大器的作用u信號的放大信號的放大：在譜儀讀出系統(tǒng)中，以及其他核輻射測量時，要對探測器輸出：在譜儀讀出系統(tǒng)中，以及其他核輻射測量時，要對探測器輸出信號進行處理，包括對所獲取的信號進行放大、成形、甄別、變換，分析、信號進行處理，包括對所獲取的信號進行放大、成形、甄別、變換，分析、記錄等等。由于探測器輸出的信號往往比較小，一般情況下，都首先要通過記錄等等。由于探測器輸

2、出的信號往往比較小，一般情況下，都首先要通過放大器放大后再進行測量。所以，信號的放大是核電子學(xué)信號處理的一個必放大器放大后再進行測量。所以，信號的放大是核電子學(xué)信號處理的一個必要部分。要部分。u減少干擾，提高信噪比減少干擾，提高信噪比：在實際測量中，探測器附近總有一定的輻射劑量存：在實際測量中，探測器附近總有一定的輻射劑量存在，工作人員必須遠離輻射現(xiàn)場來操作測量儀器。為了減少探測器輸出端到在，工作人員必須遠離輻射現(xiàn)場來操作測量儀器。為了減少探測器輸出端到放大器輸入端之間的分布電容的影響，減少外界干擾，提高信噪比，并使連放大器輸入端之間的分布電容的影響，減少外界干擾，提高信噪比，并使連接信號用的

3、高頻電纜阻抗相應(yīng)匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大接信號用的高頻電纜阻抗相應(yīng)匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大器兩部分。前置放大器又稱為預(yù)放大器，它的體積較小，放置在探測器附近，器兩部分。前置放大器又稱為預(yù)放大器，它的體積較小，放置在探測器附近，前置放大器的輸入與探測器相配合，甚至有時前置放大器緊靠著探測器，組前置放大器的輸入與探測器相配合，甚至有時前置放大器緊靠著探測器，組裝在一個結(jié)構(gòu)中，稱之為裝在一個結(jié)構(gòu)中，稱之為“探頭探頭”，其輸出端再經(jīng)過高頻電纜與主放大器相，其輸出端再經(jīng)過高頻電纜與主放大器相連。在測量過程中，前置放大器的參數(shù)一般很少變動，而由后面的主放大器連。在測量過程中

4、，前置放大器的參數(shù)一般很少變動，而由后面的主放大器來作放大倍數(shù)和成形時間常數(shù)的調(diào)節(jié)。來作放大倍數(shù)和成形時間常數(shù)的調(diào)節(jié)。探 測 器放 大與 測 量Cs輻射源探 測 器放 大與 測 量Cs輻射源（1 ）提高系統(tǒng)的信噪比）提高系統(tǒng)的信噪比 由于核輻射探測器一般緊靠輻射源由于核輻射探測器一般緊靠輻射源( (如放射源、加速器、反應(yīng)堆等如放射源、加速器、反應(yīng)堆等) )，所，所以探測器工作現(xiàn)場可能是以探測器工作現(xiàn)場可能是強的輻射場強的輻射場，往往，往往空間狹窄空間狹窄( (如井狀、冷罐等如井狀、冷罐等) )，或，或環(huán)境惡劣環(huán)境惡劣( (如高溫、高壓、高腐蝕等如高溫、高壓、高腐蝕等) )，測試人員不宜在現(xiàn)場工

5、作，而且也不，測試人員不宜在現(xiàn)場工作，而且也不宜放置大體積的儀器。宜放置大體積的儀器。 如果把核探測器的輸出信號直接傳送到有一定距離的成套儀器的測量室如果把核探測器的輸出信號直接傳送到有一定距離的成套儀器的測量室去，按圖所示來布局，可以發(fā)現(xiàn)：探測器與放大器連接的傳輸線愈長，分布去，按圖所示來布局，可以發(fā)現(xiàn)：探測器與放大器連接的傳輸線愈長，分布電容電容CsCs會愈大，則信噪比相應(yīng)愈小，甚至無法區(qū)分信號和噪聲會愈大，則信噪比相應(yīng)愈小，甚至無法區(qū)分信號和噪聲( (要提高信噪比，要提高信噪比，必須減小分布電容必須減小分布電容Cs)Cs)，而要把放大器等主機測量系統(tǒng)緊靠核輻射探測器是不，而要把放大器等主

6、機測量系統(tǒng)緊靠核輻射探測器是不可能的，因此把放大器分成前置放大器和主放大器兩部分，前置放大器的體可能的，因此把放大器分成前置放大器和主放大器兩部分，前置放大器的體積小，并緊靠探測器構(gòu)成探頭，使之分布電容積小，并緊靠探測器構(gòu)成探頭，使之分布電容CsCs盡量減小，盡可能提高信噪盡量減小，盡可能提高信噪比，再由屏蔽電纜線遠傳給主放大器。此外，由于探頭的體積小，也便于進比，再由屏蔽電纜線遠傳給主放大器。此外，由于探頭的體積小，也便于進行屏蔽、密封、加固，以適應(yīng)較惡劣的環(huán)境條件。行屏蔽、密封、加固，以適應(yīng)較惡劣的環(huán)境條件。 3探測器前置放大Cs輻射源主放大器屏蔽電纜線探測器前置放大Cs輻射源主放大器屏蔽

7、電纜線（2） 減少外界干擾的相對影響減少外界干擾的相對影響 由于空間電磁干擾存在，或有時屏蔽和隔離不好，在信號遠距離傳輸時，由于空間電磁干擾存在，或有時屏蔽和隔離不好，在信號遠距離傳輸時，往往串入外界干擾，需要設(shè)法提高信號干擾比。往往串入外界干擾，需要設(shè)法提高信號干擾比。 前置放大器已作了初步放大，提高了輸出信號幅度和遠傳能力，外界干前置放大器已作了初步放大，提高了輸出信號幅度和遠傳能力，外界干擾對信號的影響相對減少。擾對信號的影響相對減少。 前置放大器與探測器一起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔離、濾波等前置放大器與探測器一起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔離、濾波等措施。在弱信號傳輸時，還需用

8、屏蔽良好、噪聲較小的電纜線，當(dāng)主放大措施。在弱信號傳輸時，還需用屏蔽良好、噪聲較小的電纜線，當(dāng)主放大器為差分輸入時，則采用低噪聲雙芯屏蔽電纜。器為差分輸入時，則采用低噪聲雙芯屏蔽電纜。4（3） 合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用 為縮小體積，緊靠輻射源的前置放大器通常要求有一定的為縮小體積，緊靠輻射源的前置放大器通常要求有一定的放大倍數(shù)，工作穩(wěn)定可靠，并作成非調(diào)節(jié)式，放大倍數(shù)以及放大倍數(shù)，工作穩(wěn)定可靠，并作成非調(diào)節(jié)式，放大倍數(shù)以及成形時間常數(shù)的調(diào)節(jié)，則由主放大器來完成，主放大器放在成形時間常數(shù)的調(diào)節(jié)，則由主放大器來完成，主放大器放在測量室，便于實驗者操作調(diào)節(jié)。測量室，便于實驗者操

9、作調(diào)節(jié)。（4） 實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配 前置放大箱是在探測器和主放大器之間可作為一個阻抗轉(zhuǎn)換前置放大箱是在探測器和主放大器之間可作為一個阻抗轉(zhuǎn)換器，探測器通常要求后級有高的輸入阻抗以利于信號輸出，而器，探測器通常要求后級有高的輸入阻抗以利于信號輸出，而前置放大器通過電纜遠距離傳送給主放大器時，則要求有能與前置放大器通過電纜遠距離傳送給主放大器時，則要求有能與電纜阻抗相匹配的低的輸出阻抗及傳遞信號。這一阻抗轉(zhuǎn)變特電纜阻抗相匹配的低的輸出阻抗及傳遞信號。這一阻抗轉(zhuǎn)變特性在前置放大器電路設(shè)計中可以實現(xiàn)。性在前置放大器電路設(shè)計中可以實現(xiàn)。5二、前置放大器的分類二、前置放大器的分類前置放大

10、器按不同的特點有幾種分類方法：前置放大器按不同的特點有幾種分類方法：與不同的探測器相配，可以有不同的前置放大器：與不同的探測器相配，可以有不同的前置放大器： 電離室前置放大器電路電離室前置放大器電路 正比計數(shù)器前置放大器電路正比計數(shù)器前置放大器電路 半導(dǎo)體探測器前置放大器電路半導(dǎo)體探測器前置放大器電路 閃爍探測器輸出電路閃爍探測器輸出電路等等。根據(jù)探測器輸出信號成形方式的特點分類：根據(jù)探測器輸出信號成形方式的特點分類： 前置放大器可以分為：前置放大器可以分為： 電壓靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器 電荷靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器 電流靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器三大類。三大類。 6探

11、測器探測器電壓靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器1、電壓靈敏前置放大器、電壓靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器實際上就是電壓放大器。電壓靈敏前置放大器實際上就是電壓放大器。探測器的極間電容探測器的極間電容DC連線分布電容連線分布電容SC放大器的輸入電容放大器的輸入電容AC設(shè)計電壓放大器設(shè)計電壓放大器時，在其輸入端時，在其輸入端的總電阻足夠大的總電阻足夠大時，不論探測器時，不論探測器電流脈沖的形狀電流脈沖的形狀如何，只要它們?nèi)绾?，只要它們所攜帶的電荷量所攜帶的電荷量 相等，則放大器相等，則放大器輸出電壓信號的輸出電壓信號的幅度也相等。幅度也相等。電壓靈敏型的問題電壓靈敏型的問題決定于決定于 ， 和和

12、 ，它們的不穩(wěn)定是常會出現(xiàn)的，它們的不穩(wěn)定是常會出現(xiàn)的電壓靈敏前置放大器的主要問題是輸入端電容電壓靈敏前置放大器的主要問題是輸入端電容 不穩(wěn)不穩(wěn)定會導(dǎo)致輸出電壓幅度定會導(dǎo)致輸出電壓幅度 的不穩(wěn)定。的不穩(wěn)定。在能譜測量中，這將使系統(tǒng)的能量分辨率降低。在能譜測量中，這將使系統(tǒng)的能量分辨率降低。例如：在使用例如：在使用PNPN結(jié)半導(dǎo)體探測器時探測器的極間電容，由結(jié)半導(dǎo)體探測器時探測器的極間電容，由于偏壓不穩(wěn)定，其結(jié)電容于偏壓不穩(wěn)定，其結(jié)電容 會產(chǎn)生變化，而放大器輸入會產(chǎn)生變化，而放大器輸入電容電容 ，也隨輸入級增益的變化而變化等等，也隨輸入級增益的變化而變化等等RDV探探測測器器CDCSCCCAAV

13、+-在能譜測量中，在能譜測量中，使系統(tǒng)的分辨率使系統(tǒng)的分辨率降低。因此多用降低。因此多用于低能量分辨率于低能量分辨率系統(tǒng)。系統(tǒng)。8能否引入一個大電容來相對減少由于能否引入一個大電容來相對減少由于 不穩(wěn)定所帶來的影響，而不穩(wěn)定所帶來的影響，而又不使噪聲有明顯增加呢，這就是下面要討論的采用反饋電容的連又不使噪聲有明顯增加呢，這就是下面要討論的采用反饋電容的連接方式的電荷靈敏前置放大器結(jié)構(gòu)。接方式的電荷靈敏前置放大器結(jié)構(gòu)。2、電荷靈敏前置放大器、電荷靈敏前置放大器密勒積分器密勒積分器9AO為放大器的開為放大器的開環(huán)增益，故有：環(huán)增益，故有：輸出信號電壓幅輸出信號電壓幅度近似等于度近似等于Cf上上的電

14、壓的電壓由于反饋電容可由于反饋電容可以足夠穩(wěn)定，輸以足夠穩(wěn)定，輸入端等效電容入端等效電容 的影響可以忽略，的影響可以忽略，輸出電壓有很好輸出電壓有很好的穩(wěn)定性。因此的穩(wěn)定性。因此常用于高能量分常用于高能量分辨率能譜儀系統(tǒng)。辨率能譜儀系統(tǒng)。109量級量級103、電流靈敏前置放大器、電流靈敏前置放大器屏蔽電纜屏蔽電纜電流靈敏前置放大器是對探測器輸出電流信號直接進行放電流靈敏前置放大器是對探測器輸出電流信號直接進行放大，它通常是一個并聯(lián)反饋電流放大器，如圖所示。此時大，它通常是一個并聯(lián)反饋電流放大器，如圖所示。此時輸出電壓或電流，都與輸入電流成正比，故稱之為電流靈輸出電壓或電流，都與輸入電流成正比，

15、故稱之為電流靈敏前置放大器。這類前置放大器的輸入電阻較小，但時間敏前置放大器。這類前置放大器的輸入電阻較小，但時間響應(yīng)較好，常用做快放大器，只因相對噪聲較大，主要適響應(yīng)較好，常用做快放大器，只因相對噪聲較大，主要適用于時間測量系統(tǒng)。用于時間測量系統(tǒng)。11小結(jié)小結(jié)電荷靈敏前置放大器輸出的電壓，經(jīng)過一定的網(wǎng)絡(luò)成形，也能電荷靈敏前置放大器輸出的電壓，經(jīng)過一定的網(wǎng)絡(luò)成形，也能產(chǎn)生正比于探測器輸出的電流信號。產(chǎn)生正比于探測器輸出的電流信號。反過來，電流靈敏前置放大器輸出信號既然與探測器輸出電流反過來，電流靈敏前置放大器輸出信號既然與探測器輸出電流信號的波形保持一致，也就保留了輸入信號的全部信息，包括信號

16、的波形保持一致，也就保留了輸入信號的全部信息，包括電荷信息。電荷信息。因此，這三類前置放大器在適當(dāng)情況下可以互相轉(zhuǎn)換。但從因此，這三類前置放大器在適當(dāng)情況下可以互相轉(zhuǎn)換。但從物理測量的要求看：物理測量的要求看：電荷靈敏和電壓靈敏前置放大器主要用電荷靈敏和電壓靈敏前置放大器主要用于能譜測量分析系統(tǒng)；電流靈敏前置放大器則主要用于時間于能譜測量分析系統(tǒng)；電流靈敏前置放大器則主要用于時間測量。測量。12電荷靈敏前置放大器是目前高分辨能譜測量系統(tǒng)中用的最多電荷靈敏前置放大器是目前高分辨能譜測量系統(tǒng)中用的最多的前置放大器，它的輸出增益穩(wěn)定，噪聲低，性能好。的前置放大器，它的輸出增益穩(wěn)定，噪聲低，性能好。2

17、 電荷靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器13一、電荷靈敏前置放大器的主要特性一、電荷靈敏前置放大器的主要特性探探測測器器輻射源輻射源主主放放大大器器當(dāng)探測器將正比于射線能量當(dāng)探測器將正比于射線能量E E的一定的電荷量的一定的電荷量Q Q輸入到電荷輸入到電荷靈敏前置放大器時，輸出電壓幅度靈敏前置放大器時，輸出電壓幅度 ，定義變換增益，定義變換增益為為 ，從物理實驗的角度看，希望其變換增益越，從物理實驗的角度看，希望其變換增益越大越好。大越好。首先從物理實驗的角度，提出對電荷靈敏前置放大器的指標要求：首先從物理實驗的角度，提出對電荷靈敏前置放大器的指標要求：1 變換增益變換增益在電荷靈敏前置放大器的

18、實際電路中，反饋電容跨接于放大器的反相在電荷靈敏前置放大器的實際電路中，反饋電容跨接于放大器的反相輸入端和輸出端之間，起著負反饋作用，放大器采用高增益寬帶運算輸入端和輸出端之間，起著負反饋作用，放大器采用高增益寬帶運算放大器，通常輸入阻抗很高，輸出阻抗很小，開環(huán)增益放大器，通常輸入阻抗很高，輸出阻抗很小，開環(huán)增益 很大，并很大，并且輸入端處于且輸入端處于“虛地虛地”方式。方式。 把反饋電容把反饋電容 ，等效到輸入端，由于，等效到輸入端，由于密勒效應(yīng)，總的輸入電容為密勒效應(yīng)，總的輸入電容為 。fiifDtiMCACQCdttiVW)1 ()(00 表示輸入電流表示輸入電流 的總電荷量。的總電荷量

19、。 因為運算放大器的增益因為運算放大器的增益 通常通常很大，即很大，即 ，而且，而且 ，所以，所以 。輸出幅度輸出幅度ffioMCQCACQAV)1 (0015例例: : ， 伏伏/ /庫侖。因庫侖。因 是相對于電荷量是相對于電荷量輸入而言，又稱為電荷靈敏度，或電荷變換增益。對電荷靈敏放大器，輸入而言，又稱為電荷靈敏度，或電荷變換增益。對電荷靈敏放大器，當(dāng)當(dāng) 足夠大時，電荷變換增益足夠大時，電荷變換增益 僅與反饋元件電容僅與反饋元件電容 有有關(guān)，而與關(guān)，而與 和和 是否穩(wěn)定無關(guān)，因此只要采用高穩(wěn)定度精密的是否穩(wěn)定無關(guān)，因此只要采用高穩(wěn)定度精密的反饋電容，即可得到相應(yīng)穩(wěn)定的電荷變換增益。反饋電容

20、，即可得到相應(yīng)穩(wěn)定的電荷變換增益。 能量變換增益能量變換增益 ，它表示相應(yīng)于單位能量的射線被探測時，前置放，它表示相應(yīng)于單位能量的射線被探測時，前置放大器輸出幅度的大小，即大器輸出幅度的大小，即由探測器產(chǎn)生的電荷量為由探測器產(chǎn)生的電荷量為:其中：其中： 為平均電離能，為平均電離能，e e為電子電荷，所以，為電子電荷，所以，若若 1pF，對硅半導(dǎo)體探測器，對硅半導(dǎo)體探測器， 3.62 eV，則，則 mV/MeV。而對鍺半導(dǎo)體探測器，而對鍺半導(dǎo)體探測器， 2.96 eV，則，則 mV/MeV。2、 輸出穩(wěn)定性輸出穩(wěn)定性 電荷靈敏前置放大器的輸出幅度電荷靈敏前置放大器的輸出幅度 基本表示式為基本表示

21、式為 討論放大器開環(huán)增益討論放大器開環(huán)增益 和輸入電容和輸入電容 的可能變化及其對輸出不穩(wěn)定性的可能變化及其對輸出不穩(wěn)定性的影響，可以算出輸出的相對變化值：的影響，可以算出輸出的相對變化值： 令令 則則 表示反饋深度。表示反饋深度。fiiMOMCACQAVAV)1 (000fiififiMMCACdCACACdACCVdV)1 ()1 ()(000000iffifCCCCCF17設(shè)設(shè) ， ，則，則 由上式可見，要提高輸出穩(wěn)定性，減小相對變化量，對電荷靈敏前置放由上式可見，要提高輸出穩(wěn)定性，減小相對變化量，對電荷靈敏前置放大器來說，要求大器來說，要求 足夠大。因一般足夠大。因一般 取得較小，所以

22、反饋系數(shù)取得較小，所以反饋系數(shù)F值也較小，值也較小，此時放大器開環(huán)增益此時放大器開環(huán)增益 必須很高。必須很高。 舉例：如舉例：如 1pF， 5pF，則，則 。若放大倍數(shù)和輸入電容相。若放大倍數(shù)和輸入電容相對變化各為對變化各為5，而又需要輸出穩(wěn)定性要好于千分之一，則要求放大器，而又需要輸出穩(wěn)定性要好于千分之一，則要求放大器的開環(huán)增益至少大于的開環(huán)增益至少大于500倍，這對選用設(shè)計放大電路提出了要求。倍，這對選用設(shè)計放大電路提出了要求。10A10FAiiMMCdCFAAdAFAVdV00000011183、 輸出噪聲輸出噪聲在測量中，除了真正有用的信號外，同時由許多噪聲源所產(chǎn)在測量中，除了真正有用

23、的信號外，同時由許多噪聲源所產(chǎn)生的噪聲與信號疊加在一起，因此要提高測量精確度，必須生的噪聲與信號疊加在一起，因此要提高測量精確度，必須設(shè)法減小噪聲，盡量提高信噪比，這一性能指標對前置放大設(shè)法減小噪聲，盡量提高信噪比，這一性能指標對前置放大器電路是很重要的。器電路是很重要的。在實際測量中，在實際測量中， 電子學(xué)前置放大器噪聲常用能量半寬度電子學(xué)前置放大器噪聲常用能量半寬度FWHM來表示，以一個實際的電荷靈敏前置放大器為例，其噪聲特性來表示，以一個實際的電荷靈敏前置放大器為例，其噪聲特性表示為表示為FWHM(Ge)1keV + 0.03keVpF (注：此性能在后級主注：此性能在后級主放大器成形網(wǎng)

24、絡(luò)放大器成形網(wǎng)絡(luò)CRRC3.2ms時測量得到，它與后級成形時時測量得到，它與后級成形時間常數(shù)有關(guān)，該式第一項表示為沒有外接電容時，相應(yīng)等效的間常數(shù)有關(guān)，該式第一項表示為沒有外接電容時，相應(yīng)等效的噪聲能量半寬度，而后一項與輸入電容大小有關(guān)，它給出了輸噪聲能量半寬度，而后一項與輸入電容大小有關(guān)，它給出了輸入電容每增加入電容每增加lpF時，噪聲能量半寬度的增量，稱為噪聲斜率。時，噪聲能量半寬度的增量，稱為噪聲斜率。由于前置放大器的噪聲在測量系統(tǒng)中起著主要作用，減小噪聲由于前置放大器的噪聲在測量系統(tǒng)中起著主要作用，減小噪聲必須從前置放大器采取措施。）必須從前置放大器采取措施。）194、 輸出脈沖上升時

25、間及其穩(wěn)定性輸出脈沖上升時間及其穩(wěn)定性上升時間上升時間t tr r，是指輸入一個階躍信號時輸出信號脈沖前沿由幅，是指輸入一個階躍信號時輸出信號脈沖前沿由幅度的度的1010變化到變化到9090的時間，通常希望前置放大器在時間上能的時間，通常希望前置放大器在時間上能較快的響應(yīng)，要求輸出信號的上升時間愈小愈好。在能譜測量較快的響應(yīng)，要求輸出信號的上升時間愈小愈好。在能譜測量系統(tǒng)中，如果前置放大器輸出信號的上升時間不穩(wěn)定，即表示系統(tǒng)中，如果前置放大器輸出信號的上升時間不穩(wěn)定，即表示前沿在變化，通過前沿在變化，通過CRCR成形電路，使信號幅度值相應(yīng)也發(fā)生變化，成形電路，使信號幅度值相應(yīng)也發(fā)生變化，可能導(dǎo)

26、致系統(tǒng)的幅度分辨率降低?？赡軐?dǎo)致系統(tǒng)的幅度分辨率降低。輸出脈沖上升時間輸出脈沖上升時間 ，取決于前置放大器本身的上升時間，取決于前置放大器本身的上升時間 探探測器電流脈沖的持續(xù)時間、以及探測器的極間電容。通常定義前置測器電流脈沖的持續(xù)時間、以及探測器的極間電容。通常定義前置放大器本身上升時間放大器本身上升時間 ，是指前置放大器在輸入沖擊電流，是指前置放大器在輸入沖擊電流時時 ，輸出電壓的上升時間。目前一般水平為幾十納秒。，輸出電壓的上升時間。目前一般水平為幾十納秒。205、 計數(shù)率效應(yīng)計數(shù)率效應(yīng)l計數(shù)率效應(yīng)包括信號堆積，輸出動態(tài)范計數(shù)率效應(yīng)包括信號堆積，輸出動態(tài)范圍和最高計數(shù)率等問題。圍和最高

27、計數(shù)率等問題。l從探測器輸出單個信號來看，前置放大從探測器輸出單個信號來看，前置放大器輸出信號的幅度較小，而且實際探測器輸出信號的幅度較小，而且實際探測器輸出是大量的隨機脈沖，它對前置放器輸出是大量的隨機脈沖，它對前置放大器線性工作的動態(tài)范圍提出一定要求。大器線性工作的動態(tài)范圍提出一定要求。l在電荷靈敏型前置放大器中，由于對反饋在電荷靈敏型前置放大器中，由于對反饋電容電容 的充電作用，信號是一個一個的充電作用，信號是一個一個累加上去的，如果不給累加上去的，如果不給 上的電荷以放上的電荷以放電通路的話，那末不斷充電的結(jié)果，將使電通路的話，那末不斷充電的結(jié)果，將使放大器無法工作，最簡單的辦法是與電

28、容放大器無法工作，最簡單的辦法是與電容并聯(lián)一個泄放電阻，如圖所示。并聯(lián)一個泄放電阻，如圖所示。21但由于但由于 大大( ( 量級量級) )，所以時間常數(shù)，所以時間常數(shù)，仍然較大，使輸出信號的后沿衰減很緩慢，即仍然較大，使輸出信號的后沿衰減很緩慢，即計數(shù)率不高，輸出波形也會產(chǎn)生明顯的堆積，計數(shù)率不高，輸出波形也會產(chǎn)生明顯的堆積，如圖所示，造成一定幅度輸出非線性。它與電如圖所示，造成一定幅度輸出非線性。它與電荷靈敏前置放大器輸出幅度動態(tài)范圍有關(guān)。荷靈敏前置放大器輸出幅度動態(tài)范圍有關(guān)。分析堆積特性，計算輸出信號平均值分析堆積特性，計算輸出信號平均值 及均方根偏差及均方根偏差 ，可以估算前置放大，可以

29、估算前置放大器輸出的動態(tài)范圍。器輸出的動態(tài)范圍。當(dāng)輸入單個電流當(dāng)輸入單個電流 時，由于時，由于反饋放大器輸入端反饋放大器輸入端X X點為虛地，則輸出電點為虛地，則輸出電壓可表示為壓可表示為: :22輸出信號幅度輸出信號幅度 ，輸出信號，輸出信號 以時間常數(shù)以時間常數(shù) 衰減，衰減， 值較大時，例如值較大時，例如 ， ，則則 ，為毫秒數(shù)量級。，為毫秒數(shù)量級。如輸出信號的平均計數(shù)率為如輸出信號的平均計數(shù)率為 時，每個電流脈沖的電荷量為時，每個電流脈沖的電荷量為Q，則堆積的輸出信號的平均值為：則堆積的輸出信號的平均值為：顯然，由于信號堆積，輸出信號電壓平均值顯然，由于信號堆積，輸出信號電壓平均值 為單

30、個輸出信號電壓幅度為單個輸出信號電壓幅度 的的( )( )倍，它與計數(shù)率倍，它與計數(shù)率 有關(guān)。有關(guān)。由于探測器輸出脈沖在時間上是隨機分布的，實際輸出電壓由于探測器輸出脈沖在時間上是隨機分布的，實際輸出電壓 是圍繞是圍繞其平均值其平均值 上下起伏的，可以證明，其統(tǒng)計起伏的均方根偏差：上下起伏的，可以證明，其統(tǒng)計起伏的均方根偏差：23當(dāng)平均計數(shù)率當(dāng)平均計數(shù)率 較高，如滿足較高，如滿足 ，這時輸出電壓的上，這時輸出電壓的上下漲落分布可近似表示為高斯分布，即實際輸出電壓下漲落分布可近似表示為高斯分布，即實際輸出電壓 落在落在 和和 的范圍內(nèi)的概率分別為的范圍內(nèi)的概率分別為6868和和9999。希望對希

31、望對99.099.0以上的信號都能給予放大，則前置放大器的動態(tài)以上的信號都能給予放大，則前置放大器的動態(tài)范圍因不小于：范圍因不小于：例：例：當(dāng)當(dāng) ， ，即，即 時，算時，算得：得： ，即實際動態(tài)范圍應(yīng)是單個輸出信號的幅度的，即實際動態(tài)范圍應(yīng)是單個輸出信號的幅度的1616倍，如對變換增益倍，如對變換增益A A440mV440mVMeVMeV的前置放大器來說，對于能量為的前置放大器來說，對于能量為1MeV1MeV的射線，當(dāng)?shù)纳渚€，當(dāng) 時，動態(tài)范圍要大于時，動態(tài)范圍要大于7 7伏才行。伏才行?？梢姡捎谛盘柖逊e，電荷靈敏前置放大器必須有足夠大的動態(tài)范圍，一般可見，由于信號堆積，電荷靈敏前置放大器必須

32、有足夠大的動態(tài)范圍，一般不小于幾伏。實際上，動態(tài)范圍是指在一定非線性失真下的最大輸出幅度。不小于幾伏。實際上，動態(tài)范圍是指在一定非線性失真下的最大輸出幅度。所以這一性能指標常與微分或積分非線性指標同時給出。有時也用一定能量所以這一性能指標常與微分或積分非線性指標同時給出。有時也用一定能量射線的最高計數(shù)率來表示動態(tài)范圍的大小。射線的最高計數(shù)率來表示動態(tài)范圍的大小。如果把直流耦合改成交流耦合，如果把直流耦合改成交流耦合，如圖所示，輸入端用如圖所示，輸入端用 作隔作隔直電容，這就是交流耦合型電荷直電容，這就是交流耦合型電荷靈敏前置放大器。此時輸出靈敏前置放大器。此時輸出 將由于隔直不存在直流成份，即

33、將由于隔直不存在直流成份，即平均值平均值 等于零。與上面直流等于零。與上面直流耦合方式相比較，在同樣的非線耦合方式相比較，在同樣的非線性要求下，前置放大器的輸出動性要求下，前置放大器的輸出動態(tài)范圍和時間常數(shù)不變，那么交態(tài)范圍和時間常數(shù)不變，那么交流耦合系統(tǒng)比直流耦合系統(tǒng)可以流耦合系統(tǒng)比直流耦合系統(tǒng)可以允許在較高的計數(shù)率下工作允許在較高的計數(shù)率下工作( (當(dāng)然，當(dāng)然，以后還要看到，對整個能譜測量以后還要看到，對整個能譜測量系統(tǒng)，其最高計數(shù)率不只決定于系統(tǒng)，其最高計數(shù)率不只決定于前置放大器，還與主放大器的成前置放大器，還與主放大器的成形網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)形網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)) )。 ovfCpF1fRM500

34、0OCpF1000HVDR25偏壓BNC1檢驗BNC3輸入BNC2R3100MR410MR251R11KMR5100C46800P/3kVC11P/3kVC31000P/3kVC21P/3kVT13DJ7GC930uC630uC1630uC2230uC1830uC50.033C80.033W14.7KL1-650mH*6T23CG15DR816kR71kW24.7kR6680kC74.7PT33DG11FR912kR912kR1110kR1222kR16100R1412kR132.4kC100.15uC110.1uC170.033T43DG11FC130.033uC190.1uL910mH+2

35、4VC1530uC1830uR15100C140.033C190.1uL910mH-24VC120.1uR1751輸出BNC262728三、電荷靈敏前置放大器的主要噪聲分析和抑制措施三、電荷靈敏前置放大器的主要噪聲分析和抑制措施對于高分辨率的對于高分辨率的能譜測量能譜測量裝置，要求探測器裝置，要求探測器放大器系統(tǒng)的信噪比盡可能的高，放大器放大器系統(tǒng)的信噪比盡可能的高，放大器中一般只考慮在前置放大器中一般只考慮在前置放大器第一級減少噪聲第一級減少噪聲。因為第一級產(chǎn)生底噪聲為后面各級放大器所因為第一級產(chǎn)生底噪聲為后面各級放大器所放大，它在決定整個裝置的噪聲中起著主要放大，它在決定整個裝置的噪聲中起

36、著主要的作用。的作用。 291、能譜測量中能量分辨（復(fù)習(xí)）、能譜測量中能量分辨（復(fù)習(xí)）（1 1）、能譜曲線和能量分辨）、能譜曲線和能量分辨 粒子能量粒子能量E 探測器電荷探測器電荷Q 前放輸出前放輸出電壓電壓V積分型前置放大器將使其輸出信號幅度積分型前置放大器將使其輸出信號幅度正比于輻射核子在探測器中沉積的能量，正比于輻射核子在探測器中沉積的能量，因此測量其被線性放大后信號的幅度就因此測量其被線性放大后信號的幅度就可以確定入射粒子沉積的能量，從而可可以確定入射粒子沉積的能量，從而可以獲知入射粒子的能量。以獲知入射粒子的能量。由于電荷量由統(tǒng)計漲落，必須測量大量由于電荷量由統(tǒng)計漲落，必須測量大量信

37、號，統(tǒng)計出這些信號按幅度分布曲線，信號，統(tǒng)計出這些信號按幅度分布曲線，這就是幅度譜。這就是幅度譜。 幅度譜幅度譜理想情況下：理想情況下： 00001EEEENEN實際測量：實際測量： 由峰位確定粒子能量；由峰位確定粒子能量； 由分布的寬度確定測量誤差。由分布的寬度確定測量誤差。30（1）、能譜曲線和能量分辨）、能譜曲線和能量分辨能譜線的寬窄是衡量能譜線的寬窄是衡量探測器系統(tǒng)和電子學(xué)探測器系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)對相鄰很近譜線系統(tǒng)對相鄰很近譜線的分辨能力。分辨率的分辨能力。分辨率的定義為：的定義為： %100355. 2%1000EEEFWHMR31（2）、影響能譜儀能量分辨的幾個因素）、影響能譜儀能量

38、分辨的幾個因素探測器的固有分辨探測器的固有分辨：這是電離或激發(fā)過程統(tǒng)計漲落造：這是電離或激發(fā)過程統(tǒng)計漲落造成的，設(shè)其產(chǎn)生能譜曲線的對應(yīng)方差為成的，設(shè)其產(chǎn)生能譜曲線的對應(yīng)方差為s sD D 。噪聲引起的譜線展寬噪聲引起的譜線展寬：電子學(xué)噪聲會造成電路中一些：電子學(xué)噪聲會造成電路中一些重要節(jié)點的電平隨機漲落，而疊加在信號上，從而造重要節(jié)點的電平隨機漲落，而疊加在信號上，從而造成信號幅度的隨機漲落，加寬了能譜曲線。電子學(xué)噪成信號幅度的隨機漲落，加寬了能譜曲線。電子學(xué)噪聲平均值為聲平均值為0 0，概率分布服從高斯分布，它對能譜線，概率分布服從高斯分布，它對能譜線展寬的方差貢獻為展寬的方差貢獻為s sn

39、 n 。32堆積和基線漲落：堆積和基線漲落：由于探測器產(chǎn)生的信號在時間上是隨由于探測器產(chǎn)生的信號在時間上是隨機的，而輸出信號一般均形成一定寬度和一定形狀的脈機的，而輸出信號一般均形成一定寬度和一定形狀的脈沖，因而有可能出現(xiàn)二個信號疊加在一起的情況，這種沖，因而有可能出現(xiàn)二個信號疊加在一起的情況，這種情況稱為情況稱為堆積堆積，它將使測量造成誤差。，它將使測量造成誤差。信號經(jīng)成形后往往存在很長后沿，盡管每個信號中某一信號經(jīng)成形后往往存在很長后沿，盡管每個信號中某一時刻產(chǎn)生的后沿很小，但是很多信號在該時刻疊加結(jié)果時刻產(chǎn)生的后沿很小，但是很多信號在該時刻疊加結(jié)果會形成一定大小的量，疊加在信號的基線上，

40、由于信號會形成一定大小的量，疊加在信號的基線上，由于信號間的間隔隨機變化，因而形成信號的間的間隔隨機變化，因而形成信號的基線會隨機漲落基線會隨機漲落，而每個信號都是疊加在以前信號產(chǎn)生的基線之上，這樣而每個信號都是疊加在以前信號產(chǎn)生的基線之上，這樣也會使信號幅度產(chǎn)生漲落。我們也可以近似認為這種漲也會使信號幅度產(chǎn)生漲落。我們也可以近似認為這種漲落服從高斯分布，它對譜線展開的方差貢獻為落服從高斯分布，它對譜線展開的方差貢獻為 s sp p 。 （2）、影響能譜儀能量分辨的幾個因素）、影響能譜儀能量分辨的幾個因素33徑跡虧損（彈道虧損）徑跡虧損（彈道虧損）：探測器電流脈沖并不是理：探測器電流脈沖并不是

41、理想沖擊信號，存在著一定寬度和一定形狀，而電子想沖擊信號，存在著一定寬度和一定形狀，而電子學(xué)系統(tǒng)中成形電路對于信號響應(yīng)受到信號寬度和形學(xué)系統(tǒng)中成形電路對于信號響應(yīng)受到信號寬度和形狀的影響，造成輸出信號幅度變化，而電流信號的狀的影響，造成輸出信號幅度變化，而電流信號的寬度和形狀在某些探測器中往往亦是隨機變化的，寬度和形狀在某些探測器中往往亦是隨機變化的，因而也會引起譜線展寬因而也會引起譜線展寬（2）、影響能譜儀能量分辨的幾個因素）、影響能譜儀能量分辨的幾個因素只有在只有在 時時可以計算得到：可以計算得到：0T tQtiDiomtiCQVeCQtVi)(03435omiomiiiiiiomiTio

42、mTtitiTttioVTVTQRTTTQRVTeTQRVTtTteeTQRTteTQRTtuetueTQRtViiiiii21:)211 (2111 )1 (),1(0),1()()1 ()()1()(2/ )(/出電壓幅度減少比沖擊電流輸入時，輸）（時，當(dāng)時，最大值出現(xiàn)在做拉氏反變換，可見，為了減少彈道虧可見，為了減少彈道虧損，損，ti 較大。較大。彈道虧損引起的譜線展彈道虧損引起的譜線展寬為寬為sb36（3 3）影響能譜儀能量分辨的幾個因素（總結(jié)）影響能譜儀能量分辨的幾個因素（總結(jié)） 上述四種因素在不同系統(tǒng)和不同條件下對能量分辨的影響上述四種因素在不同系統(tǒng)和不同條件下對能量分辨的影響主次

43、不一樣，需要具體分析。這四者可以認為是互相獨立主次不一樣，需要具體分析。這四者可以認為是互相獨立的。假定它們均服從高斯分布，那么最終輸出幅度的漲落的。假定它們均服從高斯分布，那么最終輸出幅度的漲落方差可以表述為：方差可以表述為：而，而， 22222bPnDV VVFWHM35. 2371.1.噪聲：是圍繞某基線電平的隨即電平漲落。噪聲：是圍繞某基線電平的隨即電平漲落。 平均值為零，因此用平均值無法反映噪聲大小，一般用均方值可以表征噪平均值為零，因此用平均值無法反映噪聲大小，一般用均方值可以表征噪聲的強度聲的強度定義定義: :噪聲的均方值應(yīng)為噪聲（電壓或電流）在單位電阻（即噪聲的均方值應(yīng)為噪聲（

44、電壓或電流）在單位電阻（即11電阻）上產(chǎn)電阻）上產(chǎn)生的平均功率。噪聲的平均功率可以分解為各頻率分量之和。即生的平均功率。噪聲的平均功率可以分解為各頻率分量之和。即S(w)稱為噪聲的功率譜密度函數(shù)，它是稱為噪聲的功率譜密度函數(shù)，它是數(shù)學(xué)頻率域數(shù)學(xué)頻率域內(nèi)的噪聲在某頻率分量內(nèi)產(chǎn)生的平內(nèi)的噪聲在某頻率分量內(nèi)產(chǎn)生的平均功率，均功率，單位為單位為瓦瓦/赫茲赫茲, s(w)稱為稱為單邊噪聲功率譜密度函數(shù)單邊噪聲功率譜密度函數(shù)，是，是物理頻率域物理頻率域內(nèi)，相內(nèi)，相對于角頻率的功率譜密度函數(shù)，對于角頻率的功率譜密度函數(shù)，單位為單位為瓦瓦/（弧度（弧度/秒）秒）。2、噪聲分析（復(fù)習(xí)）、噪聲分析（復(fù)習(xí)）38噪聲

45、通過線性系統(tǒng)之后強度會發(fā)生變化，可用下述方法計算：噪聲通過線性系統(tǒng)之后強度會發(fā)生變化，可用下述方法計算：設(shè)設(shè)h(t)為一線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，為一線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，h(t)的付里葉變換的付里葉變換H(w) 為為該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。設(shè)輸入端噪聲均方值為設(shè)輸入端噪聲均方值為 ，它的功率譜密度為，它的功率譜密度為 ，通過，通過線性系統(tǒng)后其輸出端噪聲的功率譜密度為線性系統(tǒng)后其輸出端噪聲的功率譜密度為所以輸出噪聲均方值為所以輸出噪聲均方值為: dSHdsHdsviin20200202139由于由于載流子的隨機熱運動引起載流子的隨機熱運動引起的的, ,熱噪聲在熱噪聲在存在于所有的器

46、件存在于所有的器件中。中。時域：時域：可表示為幅度和時間都是隨機分布的雙向電可表示為幅度和時間都是隨機分布的雙向電流脈沖序列。流脈沖序列。頻域：頻域：白噪聲白噪聲( (fh 1012 Hz) 若器件的電阻為若器件的電阻為R，其熱噪聲的電流功率譜密，其熱噪聲的電流功率譜密度為：度為： 其中其中k為玻爾茲曼常數(shù)，為玻爾茲曼常數(shù)，T T 為絕對溫度為絕對溫度 只與溫度有關(guān)，與頻率無關(guān)。只與溫度有關(guān)，與頻率無關(guān)。其等效電路見右圖其等效電路見右圖 在在 d 或或 df 內(nèi)熱噪聲電流對總的熱噪聲電流平內(nèi)熱噪聲電流對總的熱噪聲電流平均功率的貢獻為均功率的貢獻為A.A.熱噪聲熱噪聲（2 2）、噪聲分析（復(fù)習(xí)）

47、、噪聲分析（復(fù)習(xí)） RkTsT2dfRkTdRkTdsidTT42)(240載流子產(chǎn)生及消失的隨機性，導(dǎo)致流動的電流的漲落載流子產(chǎn)生及消失的隨機性，導(dǎo)致流動的電流的漲落( (即噪聲即噪聲) ) 存在于少數(shù)載流子導(dǎo)電器件中（例如真空管，存在于少數(shù)載流子導(dǎo)電器件中（例如真空管，PNPN結(jié)反結(jié)反向電流等）向電流等）時域：隨機分布的電流脈沖序列（平均值為時域：隨機分布的電流脈沖序列（平均值為0 0）頻域：白噪聲頻域：白噪聲( (fh 1, A1, A0 0 F1F1。 A A0 0 F F足夠大時，穩(wěn)定。足夠大時，穩(wěn)定。fiiMCACQAV)1( AV00OOM iiOMOMOMdcCVdAAVdv.

48、00 2)(uvuuvvu fiififiOMOMCACdCACACdACCVdV)1()1()(0000 iiOMOMCdCFAAdAFAVdV000011 3 3輸出噪聲（能量噪聲半寬度）輸出噪聲（能量噪聲半寬度） 例：能量噪聲半寬度例：能量噪聲半寬度 FWHM (Ge)=1KeV+0.03KeV/PFFWHM (Ge)=1KeV+0.03KeV/PF （無電容時等效噪聲能量半寬度（無電容時等效噪聲能量半寬度 噪聲斜率）噪聲斜率） 4 4上升時間（上升時間（t tr r）: :輸入沖擊電流輸入沖擊電流Q(t)Q(t)時上升時間時上升時間（10%-90% V10%-90% VOMOM時間）時

49、間）, 10, 101 1nsns級級 5 5計數(shù)率效應(yīng)：計數(shù)率效應(yīng)： 堆積，輸出動態(tài)范圍，最高計數(shù)率問題。堆積，輸出動態(tài)范圍，最高計數(shù)率問題。 圖圖2.2.22.2.2 圖圖2.2.3 2.2.3 圖圖2.2.42.2.4 二電荷靈敏前放基本電路和實例分析二電荷靈敏前放基本電路和實例分析圖圖2.2.52.2.51.1.電路分析（輸入級電路分析（輸入級T1T1；放大級；放大級T2T2；輸出級；輸出級T3T3、T4T4）偏壓及濾波；測試；反饋偏壓及濾波；測試；反饋 正反饋正反饋R R6 6C C7 7改變輸出脈沖上升時間；改變輸出脈沖上升時間； 退耦退耦LCLC、RCRC。2 2定量估算定量估算

50、(1)(1)開環(huán)增益開環(huán)增益A A0 0 v v0 0vve3e3iic2c2R Ra2a2=-i=-ic1c1R Ra2a2=-g=-gm mv vi iR Ra2a2 A A0 0=|V=|VOMOM/V/ViMiM|=g|=gm mRRa2a2=g=gm mR Ra2a2/(1-A/(1-A3 3)3000)3000倍倍(2)(2)上升時間上升時間 t tr0r0=2.2R=2.2Ra2a2C Ca2a2/(1+A/(1+A0 0F)2.2CF)2.2Ca a(C(Ci i +C +Cf f)/( g)/( gm mC Cf f)22ns)22ns圖圖2.2.62.2.6 三電荷靈敏前放噪聲分析和抑制措施三電荷靈敏前放噪聲分析和抑制措施 1 1前放串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前放串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲( (圖圖2 22.72.7) ) 噪聲源：探測器漏電流噪聲源：探測器漏電流I ID D噪聲、電阻噪聲、電阻R RD D熱噪聲、場效熱噪聲、場效應(yīng)管柵極電流應(yīng)管柵極電流I Ig g噪聲、場效應(yīng)管溝道熱噪聲、場效應(yīng)管閃噪聲、場效應(yīng)管溝道熱噪聲、場效應(yīng)管閃爍噪聲、反饋電阻熱噪聲。爍噪聲、反饋電阻熱噪聲。(1)(1)并聯(lián)電流噪聲源并聯(lián)電流噪聲源(di(di2 2）(2