第3-4章 前置放大器、谱仪放大器课件

1、1核仪器概论2第三章第三章 前置放大器前置放大器第一节第一节 概述概述 探测器与前置放大器连接的等效电路图 若RiCiIo(t)的持续时间时， V(t)的幅度与Io(t)的积分成正比，即与入射粒子的能量成正比。3一、 电压灵敏前置放大器电压+-Vo Vi CD Cs CA ii 探测器 电压灵敏前置 放大器电压放大器o Mi MVVQ/iMiVQ CCi=CD+CA+CS0wtiQidtiivivo电压灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器（上述电路忽略了Ri ）第二节第二节 谱仪前置放大器的类型谱仪前置放大器的类型4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

2、压不稳，则结电容CD将发生变化等。 当Ci不稳定时，输出电压幅度VoM也不稳定，在能谱测量中，这将使系统的能量分辨率降低。 所以电压灵敏前置放大器一般只适用于能量分辨率比较低的谱仪系统。例如，用闪烁探测器的幅度或能谱测量系统。电压灵敏前置放大器的问题： 输入端总电容Ci可能是不稳定的。如：5 二、电荷灵敏前置放大器 具有良好的低噪声性能。目前高分辨率能谱测量系统(如：各种半导体谱仪)中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器。 1、电荷灵敏前置放大器的工作原理6若：AO为开环放大倍数。00( )(1)oOMOifoifA QA QVVCCA C 其中 Q为输入电荷， Cifo = Ci+(1+Ao)C

3、f0wtiQidt+-CfifCivfvoiiviCifotw0A-+7如果满足 AoCf CiCf OMfQVC则 实际上反馈电容Cf可以足够稳定，所以输出幅度VoM反映了输入电荷Q的大小且与Ci无关。鉴于这一特点，我们将这种前置放大器称为电荷灵敏前置放大器。 只要Cf保持恒定不变，不论Ci 、Ao是否稳定，输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数”都是稳定的。（实际上 Ci：几十pf 上百pf Ao：几千 )82、电荷灵敏前置放大器的实用电路 电荷灵敏前放的实用电路形式有多种，阻容反馈型是最常用的一种。1）、 原理电路Vo Rf Cf Vi +H .V ii =Q(t)D RD CT1 (a)交

4、流耦合电路Vo Rf Cf Vi - H .V ii =Q(t)D (b)直流耦合电路 CfRf 构成反馈网络（Rf 为Cf 提供放电回路），因此称这种型式的前置放大器为阻容反馈电荷灵敏放大器。92）、噪声简介Vo Rf Cf Ci = CD +Cs +CA RDdiDL2diRf2ii-AdiRD2diTL2dVTC2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 电阻Rf热噪声a、前置放大器的主要噪声源：Vo Rf Cf +H .V D RD C1022DLTCdidV对噪声表示方法（如： 、 ）的解释： 噪声的平均功率： 即噪声电压或噪声电流在1电阻上产生的平

5、均功率。 2pi2pv或其中：S()称为功率谱密度 是各频率分量平均功率之和：0( )psdp22( )d psddvdi1122241()3amfkgCTdVdC2221412 () 2/bDgDffkTdVe IIdRRC 上述各噪声源：场效应管沟道噪声被称为“串联噪声”，又称a噪声。其余各噪声源被称为“并联噪声”，又称b噪声。 从上式可见：C越小，a噪声越小。因此前放与探测器 靠得越近，放大器的总噪声越小。2adV2bdVOVfRfCiCiiA()DASfCCCCC(k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)12 3）、主要性能指标（1）、灵敏度定义1： 电荷灵敏前放输出电压信号VOM与输入电荷量

6、Q的比。用符号ACQ表示。（Cf小，可得到较大的变换增益，但Cf要有良好的稳定性。）/1/CQOMfAVQC电荷灵敏度。 13定义2： 探测器材料沉积的每MeV能量在放大器输出端可得到多少mV信号，用符号ACE表示。对硅探测器：Cf 1pf 时, ACE 44mv/MeV Cf 0.1pf 时，ACE 440mv/MeV（其中e为电子电荷，W为 探测器的平均电离能。）或（室温下的硅(Si)： W3.61eV 低温（77K）下的锗（Ge）: W=2.96eV ）/CEOMAVE/CEfAe WC能量灵敏度。 14a、前放的噪声通常是：将放大系统（包括：探测器、前放、主放）输出端的噪声（用Von表

7、示）折合到前放的输入端的等效噪声。 给出电荷灵敏前放的噪声指标之前几个概念应 先讲述清楚。（2）、噪声指标15b、电荷灵敏前置放大器的噪声指标，通常是用 等效噪声能量线宽FWHMNE的概念给出的。相对计数ENE ENE1.000.610.500FWHMNE能量 以上是高斯形噪声能谱曲线，图中ENE为折算到前放输入端的等效噪声能量。其半高宽被称为等效噪声能量线宽，用FWHMNE表示。16 和前置放大器的噪声源有关。 与探测器所用材料有关。（锗和硅的平均电 离能不同） 和主放大器中的滤波器形式及时间常数有关。 （后面讲） d、 FWHMNE的值主要与哪些因素有关？FWHMNE2.355 ENE。单

8、位为eV。ononOCEOCQVVENeEWAAAA（Ao为主放的电压增益）c、等效噪声能量线宽的计算方法: 17 所以在具体给出某一系统的噪声线宽时，必需说明主放大器中使用什么样的滤波器和多大的时间常数（道理后面讲）。同时还应注明探测器的材料是锗还是硅。例如：CR-RC成形，时间常数10s， 噪声线宽为200eV(Si)。18零电容噪声： 表示前置放大器的固有噪声，即不带探测器、 不外加电容时的噪声。噪声斜率： 定义为前置放大器输入端对地之间每外加1pF 电容时噪声增加多少。噪声斜率用来估计在接 上探测器时，它的极间电容对噪声的影响。产品说明中给出的噪声指标： 由于探测器前置放大器系统的噪声

9、与C有关，即与探测器电容CD有关。所以电荷灵敏前置放大器的噪声指标往往分两项给出：19 右图给出一个典型的电荷灵敏前放其噪声与输入端外加电容的关系。 对于半导体能谱仪用的放大器， 零电容噪声：约几百eV。（对“阻容反馈”的 电荷灵敏前放） 噪声斜率： 十几至几十eVpF。20（3）最大的能量平方与计数率的乘积（E2CRP） 或最大的能量与计数率的乘积（ECRP） 阻容反馈的电荷灵敏前放输出信号的后沿衰减很慢，其衰减时间常数为：f =Cf Rf ，（通常为数百S或更大）。因此，即使计数率不高，信号也会产生明显的“堆积” ，堆积后的输出电压瞬时值Vo如下图。0tVof = Cf Rf 不难理解，被

10、测射线能量越高、计数率越高，Vo 越大。当Vo 达到一定值时，前置放大器将会过载。21 因此，电荷灵敏前放指标中会给出E2CRP或 ECRP这一指标。 如果，产品说明书给出E2CRP的指标，则在给定被测信号能量的情况下 ，用E2CRP/ E2即可得到此系统能测信号的最高计数率。 如果，产品说明书给出ECRP的指标。则在给定被测信号能量的情况下 ，用ECRP/ E即可得到此系统能测信号的最高计数率。22 ORTEC Model 142A、142B、142C 具有低噪声、快上升时间的电荷灵敏前置放大器， 适用于测量带电粒子或重离子的半导体探测器。 外接电缆插座有五个：探测器信号输入、测试信号输入、

11、两个放大器信号输出（用于能量测量的慢信号及用于时间测量的快信号）、探测器使用的高压偏置电源（最大可加1000V）。第三节第三节 电荷灵敏前置放大器产品说明举例电荷灵敏前置放大器产品说明举例23 性能指标：（142A为例） 变换增益：45mv/MeV（对Si 探测器） 噪声特性：探测器电容为0pf 时，前放等效输入噪声为1.6keV。探测器电容为100pf 时，前放等效输入噪声为3.4keV。（放大器：ORTEC572，时间常数：2S） 最大的能量平方与计数率的乘积（E2CRP）： 1.5X107MeV2/S。24适用的能量范围：0200MeV。推荐的输入电容的范围：0100Pf。输出信号的上升

12、时间： (终端带有93负载，输出电压信号05V） 探测器电容为0pf 时，5ns。 探测器电容为100pf 时，12ns输出信号的衰减时间：一般为500S。积分非线性： 0.03（输出端开路，输出电压 信号07V。或终端带有93负载，输出电压 信号03.5V）探测器偏置电压：最大为1000V。 25第四节第四节 能谱测量时，能谱测量时，前置放大器的选取原则前置放大器的选取原则闪烁探测器： 一般选用电压灵敏放大器。 因闪烁探测器本身输出信号幅度大（通常可达几百mV或伏的量级）、能量分辨率较低（最好为67），因此对前放的噪声性能一般无特殊要求。且不需要放大器有高的电压增益。 如上述ORTEC Mo

13、del 113就是性能价格比较好的选择。1、首先，看前面已选用了什么类型的探测器。 一般来讲：26 因为这些探测器输出信号小（如mV、或0.几mV），且本身具有很好的能量分辨率。因此要求放大器输入等效噪声要小，增益稳定性要好。 如上述ORTEC Model 142系列的前放。半导体探测器（包括Si(Li)探测器、锗探测器、硅带电粒子探测器）、气体正比计数器通常要选用低噪声及增益稳定性优良的电荷灵敏放大器。272、选择前置放大器时要考虑的其它因素 探测器输出信号的大小提出对放大器增益要求。 探测器分辨率特性提出对放大器的噪声要求。 探测器的结电容大小，影响对放大器噪声斜率 的要求。 根据被测信号

14、的能量范围、被测信号的计数 率。对前放的计数率特性提出要求。 是否需要通过前放给探测器加入偏压，加入多 大的偏压。 实用中对放大器的线性、稳定性要求。 价格等因素。等 28 对前放输出的电压信号进一步放大。 用多种方法对信号进行处理。 几种常用的处理方法如下： 第四章第四章 谱仪放大器谱仪放大器谱仪放大器又称主放大器,主要任务为： 滤波与成形 基线恢复 堆积判弃目标：使谱仪有尽量好的能量分辨率。29 第一节 滤波和成形1、滤波和成形的必要性 谱仪放大器必须接收来自前置放大器的信号。 左图（a）画出了从阻容反馈型前放来的典型的输出脉冲形状。30分析此信号：迅速上升的跳变前沿： 其跳变幅度代表被探

15、测射线的能量。此信息通过主放大器后必须完整的保留。a、慢的指数衰减（可能有50S或更大）的后沿： 不利于信号的进一步放大，也不能满足后续的模数转换电路对输入信号形状的要求。因此主放必须对其形状进行改造。如上图（b）。b、 从时域看：主放接收前放的信号并将其成形以满足后续电路的要求。此功能被称之为“成形” 。31信号中包含有噪声。c、 从频域看：要求谱仪放大器要具有合适的频率响应。以使得带有噪声的前放输出信号经主放后，尽量滤去噪声的各频率成分，而保留有用信号的各频率成分。最终提高信噪比。此功能可被称之为“滤波”。322、介绍几种常用的滤波成形电路原理（1）CR-RC脉冲成形 、成形原理 如上图。

16、前放输出信号首先通过CR高通滤波（又称：CR微分器），这将通过衰减低频成分（其中包括许多噪声和非常小部分的信号）而改善信噪比。脉冲的衰减时间通过这个滤波器也变短了。33 脉冲到达放大器输出端之前，它要通过RC低通滤波（又称：RC积分器），如下图。通过它可衰减高频成分（其中包括很多的噪声）而改善信噪比。34 下图表示在放大器中，将高通与低通滤波器结合在一起使用的情况。 设高通滤波器中的微分时间常数为D(DCDRD)，低通滤波器中的积分时间常数为i(iCiRi)，通常令=Di。35 上图中，放大器接收前放来的信号后，最终得到一个如图所示的输出脉冲。脉冲的上升沿变慢并在1时达到它的最大幅度。衰减返回

17、到基线的时间主要由CR微分电路的时间常数决定。由于前放输出信号本身有一长的衰减时间，因此会有一个小的幅度下冲。下冲的起始点大约在7。这个下冲衰减再返回到基线用一个很长的时间常数（由前放输出脉冲的衰减时间常数决定）。36前放的输出信号经过如此处理后：a、经推导，成形后脉冲峰值如下式。与输入电荷 量Q成正比。保留了输入信号中的有用信息。 OMfQVe Cb、基本形状变窄了。前放输出信号的衰减时间常 数为CfRf，成形后脉冲的衰减时间常数为CR。 （前者50S 或更大，后者一般为几S量级） (e2.7)c、电路有高低通的滤波作用，可有效的抑制来自 前放的信号中的噪声，提高信噪比。37可用于闪烁探测器

18、谱仪，应被选择成至少为 3倍的闪烁体的衰减时间常数。CR-RC滤波成形的应用：用于半导体探测器的谱仪： 硅带电粒子探测器，约为0.51S。 锗和Si（Li）探测器，一般约为在620S。 这样长的时间常数对整个谱仪允许接受的最高计数率下降。因此有时会采用小一些的时间常数，牺牲信噪比性能以适应更高的计数率要求。38FH1047A型电荷灵敏前置放大器（北京核仪器厂生产）型电荷灵敏前置放大器（北京核仪器厂生产）主要用途 本仪器配合金硅面垒半导体探测器在室温条件下可与有关插件配成谱仪。它用N沟道场效应管作为输入管。主要技术性能1灵敏度： 11012V/库仑 或40mV/MeV(Si)。2噪声特性： A型：2.2keV+0.05keV/pF 半宽度（Si）， (典型值：1.5keV+0.04keV/pF)。 3输出脉冲上升时间 30ns (外接电容为零)。4最大线性幅度输出范围：+2V（负载为1k）。使用环境温度范围：050相对湿度：90%课堂讨论：39FH1048A型电压灵敏前置放大器（北京核仪器厂生产）型电压灵敏前置放大器（北京核仪器厂生产）主要用途 本仪器与有关插件配合，用于光电倍增管、正比计数管等探测器的输出，作前级放大使用。主要技术性能1放大倍数： 5倍。