核电子学第6课前置放大器.ppt

核电子学与核仪器 上次课关键点 前置放大器的作用与分类作用 提高信噪比 减少外界干扰的影响 合理布局 便于调节和使用 实现阻抗转换和匹配分类 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电荷灵敏前置放大器的特性变换增益 输出稳定性 输出噪声 输出脉冲上升时间及其稳定性 计数率效应 引入 结型场效应管 场效应管和普通三极管一样 可以看作是受控的电流源 但它是一种电压控制的电流源 转移特性曲线 是指在一定漏源电压UDS作用下 栅极电压UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 引入 结型场效应管 输出特性曲线 是指在一定栅极电压UGS作用下 ID与UDS之间的关系曲线 引入 结型场效应管 场效应管放大电路的静态分析 场效应管是电压控制器件 它没有偏流 关键是建立适当的栅源偏压UGS 引入 结型场效应管场效应管中电流只由多数载流子形成 所以又称为单极型晶体管 场效应管的栅极作为电压信号输入的控制端 正常工作时两个PN结处于反向偏置 耗尽层电阻极高 只有极小的反向电流流通 这就是栅极电流 场效应管只有一种多数载流子的定向漂移运动 所以它的噪声要比晶体管的低 本堂课主要内容 二 电荷灵敏前置放大器2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进2 5电荷灵敏前置放大器噪声的实验分析三 电压灵敏前置放大器四 电流灵敏前置放大器 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析对于高分辨率的能谱测量装置 要求探测器 放大器系统的信噪比尽可能高 在放大器中一般只考虑在前置放大器第一级减小噪声 因为第一级产生的噪声为后面各级放大电路所放大 它在决定整个装置的噪声中起着主要的作用 一般半导体探测器的电荷灵敏前置放大器主要采用噪声较小的结型场效应管作输入级 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声探测器 前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等效电路 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声探测器漏电流噪声电阻RD热噪声场效应管栅极漏电流噪声场效应管沟道噪声 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声场效应管闪烁噪声反馈电阻热噪声 场效应管的栅极感应噪声 由于工艺改进 通常可忽略 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声并联电流噪声源并联电流噪声源和信号源是并联的 Rf的电流噪声 也可以近似看作和信号电流并联 因为放大器的输出阻抗通常很小 串联电压噪声源串联电压噪声源场效应管的沟道噪声和闪烁噪声为等效在输入端的串联电压噪声源 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声为了和并联电流噪声源进行比较 可以将串联电压噪声源等效为与信号并联的电流噪声源 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声当反馈足够深时由图 a 由图 b 最终得到 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声在把串联电压噪声折算为并联电流噪声时 只与前置放大器输入端的冷电容有关 冷电容越大 等效并联电流噪声就越大 由于Cf本身不大 冷电容是由输入端的总电容Ci起决定作用 注意 冷电容 与前置放大器输入电容的区别 后者不能忽略Cf的作用 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器的串联噪声和并联噪声最后计算出的等效并联电流为 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声在前置放大器中 当输入端噪声全等效为并联电流噪声后 根据其与频率的依赖关系 可分为a噪声 b噪声和c噪声 a噪声 与 2成正比 b噪声 与 无关 c噪声 与 成正比 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声代入各噪声分量的表达式 整理后得到的输入端总的并联噪声 其中 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声以a b c输入并联电流噪声表示的等效电路 等效输入端电流噪声 等效输出端电压噪声 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声将前置放大器的输入电流噪声等效为输出电压噪声可得 可见 噪声的功率谱密度函数即这一噪声总表达式是很有用的 它为进一步抑制噪声 提高信噪比提供了理论依据 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析降低前置放大器噪声的措施 1 输入级采用低噪声器件 目前低温运用的结型场效应管具有最低的噪声 在常温下 结型场效应管的噪声也比晶体管小得多 所以一般均采用低噪声场效应管作输入级放大管 2 低温运用 当温度T低时 a噪声较小 而且由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也使b噪声减少 特别是场效应管的跨导也与温度有关 在一定温度范围内 gm值要比常温大一倍左右 二 电荷灵敏前置放大器 2 3电荷灵敏前置放大器的噪声分析降低前置放大器噪声的措施 3 减少冷电容C 因为C CD CS CA Cf 除了CD CA外 CS可采用输入级紧靠探测器的办法来减少 Cf则采用合适的反馈电容 4 反馈电阻Rf和探测器负载电阻RD 常通过实验选用低噪声电阻 阻值一般在109 1010 左右 可采用真空兆欧电阻或金属膜电阻 并处于低温工作 以降低热噪声 此外 还可从噪声与频率的关系 用滤波网络来限制频带宽度 二 电荷灵敏前置放大器 2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器使Cf释放电荷的一种方法是利用脉冲光反馈系统 二 电荷灵敏前置放大器 2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器 脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器的波形分析 二 电荷灵敏前置放大器 2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进漏反馈电荷灵敏前置放大器利用场效应管的栅流Ig也可以使反馈电容Cf释放电荷 与光反馈系统不同 栅流的大小由场效应管源 漏极之间的电压控制 探测器输出的电流脉冲iD在反馈电容上不断积累 放大器输出电压逐渐增长 次电压经积分后加到场效应管的漏极上 使栅流增加 从而使Cf放电 二 电荷灵敏前置放大器 2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进漏反馈电荷灵敏前置放大器 N沟道场效应管栅极电流Ig与漏源电压VDS有关 当VDS超过某一数值后 Ig随VDS增加而很快增加 因此 可以通过VDS控制Ig的大小 二 电荷灵敏前置放大器 2 4电荷灵敏前置放大器的进一步改进晶体管复位电荷灵敏前置放大器近年来 由于选用噪声小 结电容小的晶体管 发展了晶体管复位电荷灵敏前置放大器 二 电荷灵敏前置放大器 2 5电荷灵敏前置放大器噪声的测量根据噪声对信号幅度的展宽测量噪声 测量原理 等幅信号输入待测装置时 其输出信号幅度谱的半高宽度相当于噪声线宽 二 电荷灵敏前置放大器 为了保证测量精度 在标定幅度分析器和测量噪声线宽时 应调节好系统的增益和输入信号幅度 使每个峰的半高宽不少于一定的道数 每个峰的最高计数道的计数也要够高 国际电工委员会推荐的数据是 每个峰的半高宽至少要有20道 每个峰的最高计数道不少于10000个计数 一般取7 8道以及几千个计数 精密脉冲发生器输出的信号应满足以下要求 上升要够快 上升时间不大于主放大器中最短微分时间常数的20 衰减要慢 在主放大器输出脉冲达到峰值时刻 衰减不超过其高度的2 推荐的数据是上升时间小于20ns 衰减时间常数大于100us 输入端定标电容器Cc最好选用三端型电容器 这种电容器有一屏蔽端 使用时接地 二 电荷灵敏前置放大器 2 5电荷灵敏前置放大器噪声的测量用示波器和宽频带电压表测量噪声用宽频带均方根电压表代替上图的脉冲幅度分析器 在无信号输入时 测量系统输出的电压均方根值 则噪声线宽为 转换为以电荷为单位的噪声线宽 转换为以能量为单位的噪声线宽 三 电压灵敏前置放大器 电压前置放大器常与闪烁探测器配合使用 电路简单 不同探测器对电压前置放大器的要求不一样 如配合光电倍增管时 由于输出信号幅度较大 仅配一级射级跟随器即可 而对于气体电离室或正比计数管 由于输出信号较小 需有较大的放大倍数 如用作时间测量 则主要考虑有较快上升时间和足够的放大倍数 采用负反馈的电压灵敏前置放大器 三 电压灵敏前置放大器 对于闪烁探测器 为了使探头输出可以远传 常直接采用跟随器形式的电压灵敏前置放大器 而结型场效应管具有高输入阻抗和低噪声的性能 仍被常用来作为电压前置放大器的输入级 采用场效应管作为输入级的电压前置放大器 三 电压灵敏前置放大器 电压灵敏前置放大器实例 四 电流灵敏前置放大器 电压和电荷灵敏前置放大器的共同点是 当探测器输出电流脉冲时 都对输入电容充电 它们输出信号幅度都与射线能量成正比 所以均可用于能谱测量 电流灵敏前置放大器就是对输入电流响应较快的放大器 也称为快前置放大器 它是对探测器输入电流信号直接进行放大 不是积分成电压 而是输出电压或电流幅度与输入电流成正比 四 电流灵敏前置放大器 当电路的负反馈电阻Rf取值较小时 Cf的并联作用可以忽略 如果Ri Ci阻抗较大时 对输入端阻抗来说Rf起主要作用 而且是深度负反馈 则 电流灵敏前置放大器的特点 响应快 可以获得精确的时间信息 可以远距离传输信息 输出脉冲的上升时间和