电荷灵敏前置放大器的特点.ppt

前置放大器,核辐射探测器输出信号幅度,用半导体探测器对能量E0为1MeV的射线进行测量，分析输出电压信号幅度的量级（设探测器的结电容C0为10pF）。,核电子学中信号的放大,放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（由脉冲放大器完成）。,噪声和干扰,在信号的产生、传输和测量过程中，噪声会迭加于有用信号上，从而降低测量精确度。,噪声：由电子器件本身产生的干扰：来自外部因素交流电网的工频（我国为50赫）干扰；电视和无线电广播干扰；大功率设备的电磁场干扰；直流电源的纹波干扰；仪器（或插件）之间及仪器内接地不良而产生的干扰。,噪声的特点及表示方法,噪声是由所采用的元器件本身产生的，原则上可以设法减小但无法完全消除。噪声属于随机过程，它随时间的变化是杂乱无章的，但它服从一定的统计规律。噪声电压的时间平均值等于零。只要有噪声存在，其平均功率就不为零。,输入信号电压Vi,探测器,放大器（放大倍数A）,能量E,辐射源,Vo,Vno,信噪比,信噪比噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪声均方根值的相对值来表示：,等效噪声电压(ENV),核电子学中的噪声,在核电子学中遇到的噪声主要有三类：散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f噪声）。,在电子器件中，载流子产生和消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些，有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。,热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。,低频噪声即1/f噪声，又名闪变噪声或过量噪声，其噪声电压随频率的降低而增大。,散粒噪声和热噪声的比较,核电子学中噪声的来源,核辐射测量仪器中很多器件如探测器、晶体管和电阻等都会产生噪声。它们对于信号噪声比或测量精确度的影响是不同的，其中探测器和前置放大器第一级器件产生的噪声，得到的放大倍数最大，影响也就最严重。,探测器中的噪声,半导体探测器是反向偏置的PN结，其中存在着三种噪声源。并联电阻Rp的热噪声，Rp是耗尽层或补偿层的电阻串联电阻Rs的热噪声，Rs为探测器非灵敏区的材料体电阻与引线电阻之和探测器漏电流ID的散粒噪声,对于面垒型探测器，Rp约为108-109，在低温下工作的P-I-N探测器，Rp可达1012或更高。通常Rp比前置放大器或探测器的偏置电阻大很多，因此，Rp及其热噪声可以忽略。串联电阻Rs的影响虽然比Rp大，但是对性能良好的探测器来说Rs也可忽略。,探测器中的漏电流噪声,半导体探测器的漏电流主要由三部分组成：结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流结区内因热激发产生的电子空穴对所造成的反向电流,ID是探测器的反向漏电流。温度升高，ID增加，噪声也随之增大。因此，低温运用可以降低探测器的噪声。,第一级放大器的噪声,第一级放大器：噪声性能优越的结型场效应管（JFET：JunctionFieldEffectTransistor）,通过扩散或其它工艺，在一块N型(或P型)半导体材料的两边各做一个高杂质浓度的P型区(或N型区)，把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅极(G)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极(S)和漏极(D)。中间的N区(或P区)是电流的通道，称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道(或P沟道)结型场效应管。,摘自模拟电子技术基础（第三版），华成英主编，高等教育出版社，2001,场效应管工作在低温下，噪声降低，有利于提高信噪比。,多数载流子在沟道中的热运动产生的热噪声是场效应管的主要噪声源。,共源接法,核电子学中噪声小结,噪声与干扰噪声：电子器件内部产生干扰：来自于外部散粒噪声与热噪声散粒噪声：载流子数目涨落热噪声：载流子热运动核电子学噪声的主要来源探测器的反向电流：1/f、散粒噪声（工艺措施、低温）前置放大器的第一级放大器场效应管：热噪声（低温）,核电子学中信号的放大,放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（由脉冲放大器完成）。,前置放大器的作用,提高系统的信噪比；减小信号经由电缆传送时外界干扰的影响；主放大器通过长电缆与探头相连，主放大器本身和操作人员可以摆脱现场条件的限制；实现阻抗转换和匹配。,拓展内容：为什么电荷前置放大器的噪声与输入端的“冷电容”有关？,前置放大器的分类,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,积分型前置放大器,电压灵敏前置放大器,其中,放大器输入端总电容：Ci=CD+CA+CS放大器输入端总电阻：Ri=RL+RA+R,CiRi足够大时,iD(t),CD,CS,CA,-电压放大器+,探测器,电压灵敏前置放大器,Vo(t),电压灵敏前置放大器的特点,只要放大器输入电阻足够大，电荷量相同，则前放输出电压脉冲幅度即相同。能量分辨较差。输入总电容Ci与CD、CA、CS有关。当CD、CA、CS变化时，放大器输入端电压脉冲幅度也变化（ViM=Q/Ci）。,电压灵敏前置放大器只适用于对输出电压脉冲幅度稳定性要求不高的低能量分辨系统。,交流耦合：隔直电容100pF-1nF，远大于探测器本身电容CD,脉冲尾部指数下降，放电时间由CiR/RL决定，约为10-100微秒。,电缆阻抗匹配,前放的上升时间与电荷收集时间和放大器的上升时间等有关，一般在几百ns左右。,Z0,电荷灵敏前置放大器,A0CfCi+Cf则VoMQ/Cf,电荷灵敏前置放大器的特点,只要Cf保持恒定不变，不论A0、Ci是否稳定，输出电压幅度VoM对输入电荷Q的“放大倍数”都是稳定的。,阻容反馈电荷灵敏前置放大器,衰减时间常数：通常为50s（与主放中极零相消电路时间常数的可调范围相配合）。上升时间：由探测器电荷收集时间和放大器的上升时间等决定，不大于200ns。,由于反馈电阻的存在，所以电荷灵敏前置放大器的输出包括一个时间常数为RfCf的衰减部分。,iD(t),-A+,vo(t),Ci,Cf,Rf,无反馈电阻时,有反馈电阻时,反馈电阻释放电容上累积的电荷，稳定直流工作点，但是输出脉冲有堆积，且是噪声的主要来源之一。,vo(t),光反馈电荷灵敏前置放大器,利用脉冲光电反馈，释放电容上不断积累的电荷。,通过这个办法可以获得大约100eV的能量分辨率,电荷灵敏前置放大器的主要特性,噪声变换增益输出电压的稳定性上升时间,噪声,在高分辨的能谱测量中，电荷灵敏前放的噪声是能谱仪系统噪声的一个重要组成部分。它的大小由输入级场效应管、输入端总电容（反馈电容、探测器电容、分布电容等）、输入阻抗和输入端漏电流决定。FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/PFC（3s）,阻容反馈，零电容噪声约几百eV，光反馈可小到100eV；对于半导体能谱仪用的前置放大器，噪声斜率一般为十几至几十eV/pF。,在电荷灵敏前放中，输出电压脉冲幅度为,变换增益,定义变换增益为,当Cf小时，变换增益大，但要求Cf有良好的稳定性。,对于硅探测器，W=3.6eV，当Cf为1pF时，ACE等于44mV/MeV。,与仅用半导体探测器在10pF电容上输出约为4.8mV/MeV相比较，可以看出，探测器输出信号幅度经过前置放大器后要大一个量级，相对于毫伏量级的一般干扰而言，前置放大器输出信号的抗干扰能要强得多了。,输出电压的稳定性,当A01时则Ci、A0分别变化时，有,其中，F=Cf/(Cf+Ci)=Cf/Ci称为反馈系数。A0F为反馈深度。,深度负反馈时（A0F1）,上升时间,上升时间是指输入一个阶跃电压信号时输出电压信号脉冲前沿由幅度的10%变化到90%的时间。前放输出信号的上升时间与前放本身（放大器的上升时间，一般不超过几十纳秒）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有关。一般小于200ns。,电流灵敏前置放大器,要求：电路中的运算放大器为快放大器，频带足够宽，过渡过程足够快。这样有利于保持快的时间信号。为了避免信号传输中电缆不匹配造成的信号反射，要求在其连接处阻抗要匹配。在实际电路中通常为50。,由带有电阻负反馈的快放大器组成。,探测器和放大器距离要足够短，避免震荡,iD(t),-A+,R1Z0,RC-高压,探测器和放大器之