核仪器概论教学前置放大器、谱仪放大器ppt课件

1、核仪器概论第三章第三章 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衔接的等效电路图 假设RiCiIo(t)的继续时间时， 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。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放大器输入电容CA能够由于输入级增益不稳定而变化。运用P-N结半导体探测器时，如偏压不稳，那

2、么结电容CD将发生变化等。 当Ci不稳定时，输出电压幅度VoM也不稳定，在能谱丈量中，这将使系统的能量分辨率降低。 所以电压灵敏前置放大器普通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丈量系统。电压灵敏前置放大器的问题： 输入端总电容Ci能够是不稳定的。如： 二、电荷灵敏前置放大器 具有良好的低噪声性能。目前高分辨率能谱丈量系统(如：各种半导体谱仪)中运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任务原理假设：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)Cf0wti

3、Qidt+-CfifCivfvoiiviCifotw0A-+假设满足 AoCf CiCf OMfQVC那么 实践上反响电容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。 只需Cf坚持恒定不变，不论Ci 、Ao能否稳定，输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数都是稳定的。实践上 Ci：几十pf 上百pf Ao：几千 )2、电荷灵敏前置放大器的适用电路 电荷灵敏前放的适用电路方式有多种，阻容反响型是最常用的一种。1、 原理电路Vo Rf Cf Vi +H .V ii =Q(t)D RD CT1 (a)交流耦合电路Vo R

4、f Cf Vi - H .V ii =Q(t)D (b)直流耦合电路 CfRf 构成反响网络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响电荷灵敏放大器。2、噪声简介Vo Rf Cf Ci = CD +Cs +CA RDdiDL2diRf2ii-AdiRD2d i TL2d V TC2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 C22DLTCdidV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电阻上产生的平均功率。 2pi2pv或其

5、中：S()称为功率谱密度 是各频率分量平均功率之和：0( )psdp22( )d psddvdi22241()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。其他各噪声源被称为“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) 3、主要性能目的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Q的比。用符号ACQ表示。Cf小，可得到较大

6、的变换增益，但Cf要有良好的稳定性。/1/CQOMfAVQC电荷灵敏度。 定义2： 探测器资料堆积的每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。 a、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目的之前几个概念应 先

7、讲述清楚。2、噪声目的b、电荷灵敏前置放大器的噪声目的，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。 和前置放大器的噪声源有关。 与探测器所用资料有关。锗和硅的平均电 离能不同 和主放大器中的滤波器方式及时间常数有关。 后面讲 d、 FWHMNE的值主要与哪些要素有关？FWHMNE2.355 ENE。单位为eV。ononOCEOCQVVENeEWAAAAAo为主放的电压增益c、等效噪声能量线宽的计算方

8、法: 所以在详细给出某一系统的噪声线宽时，必需阐明主放大器中运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资料是锗还是硅。例如：CR-RC成形，时间常数10s， 噪声线宽为200eV(Si)。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 电容时噪声添加多少。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。产品阐明中给出的噪声目的： 由于探测器前置放大器系统的噪声与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目的往往分两项给出： 右图给出一个典型的电荷灵敏前放其噪

9、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“阻容反响的 电荷灵敏前放 噪声斜率： 十几至几十eVpF。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 阻容反响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如以下图。0tVof = Cf Rf 不难了解，被测射线能量越高、计数率越高，Vo 越大。当Vo 到达一定值时，前置放大器将会过载。 因此，电荷灵敏前放目的中会给出E2CRP或 ECRP这一目的。

10、假设，产品阐明书给出E2CRP的目的，那么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。 假设，产品阐明书给出ECRP的目的。那么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。 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， 适用于丈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、两个放大器信号输出用于能量丈量的慢信号及用于时间丈量的快信号、探测器运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阐明举例电

11、荷灵敏前置放大器产品阐明举例 性能目的：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。适用的能量范围：0200MeV。引荐的输入电容的范围：0100Pf。输出信号的上升时间： (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：普通为500S。积分非线性： 0.03输出端开

12、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。 第四节第四节 能谱丈量时，前置放大器的选取原那能谱丈量时，前置放大器的选取原那么么闪烁探测器： 普通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普通无特殊要求。且不需求放大器有高的电压增益。 如上述ORTEC Model 113就是性能价钱比较好的选择。1、首先，看前面已选用了什么类型的探测器。 普通来讲： 由于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

13、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。2、选择前置放大器时要思索的其它要素 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。 能否需求经过前放给探测器参与偏压，参与多 大的偏压。 适用中对放大器的线性、稳定性要求。 价钱等要素。等 对前放输出的电压信号进一步放大。 用多种方法对

14、信号进展处置。 几种常用的处置方法如下： 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,主要义务为： 滤波与成形 基线恢复 堆积判弃目的：使谱仪有尽量好的能量分辨率。 第一节 滤波和成形1、滤波和成形的必要性 谱仪放大器必需接纳来自前置放大器的信号。 左图a画出了从阻容反响型前放来的典型的输出脉冲外形。分析此信号：迅速上升的跳变前沿： 其跳变幅度代表被探测射线的能量。此信息经过主放大器后必需完好的保管。a、慢的指数衰减能够有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外形的要求。因此主放必需对其外形进展改造。如上图b。b、 从时域看：主放接纳

15、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 。信号中包含有噪声。c、 从频域看：要求谱仪放大器要具有适宜的频率呼应。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，而保管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。2、引见几种常用的滤波成形电路原理1CR-RC脉冲成形 、成形原理 如上图。前放输出信号首先经过CR高通滤波又称：CR微分器，这将经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。脉冲的衰减时间经过这个滤波器也变短了。 脉冲到达放大器输出端之前，它要经过RC低通滤波又称：RC积分器，如以下图。经过它可衰减高频成分其中

16、包括很多的噪声而改善信噪比。 以下图表示在放大器中，将高通与低通滤波器结合在一同运用的情况。 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。 上图中，放大器接纳前放来的信号后，最终得到一个如下图的输出脉冲。脉冲的上升沿变慢并在1时到达它的最大幅度。衰减前往到基线的时间主要由CR微分电路的时间常数决议。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。这个下冲衰减再前往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议。前放的输出信号经过如此处置后：a、经推导，成形后脉冲峰值如下式。与输入电

17、荷 量Q成正比。保管了输入信号中的有用信息。 OMfQVe Cb、根本外形变窄了。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，后者普通为几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。可用于闪烁探测器谱仪，应被选择成至少为 3倍的闪烁体的衰减时间常数。CR-RC滤波成形的运用：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SiLi探测器，普通约为在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，牺牲信噪比性能以顺应更高的计数率

18、要求。FH1047A型电荷灵敏前置放大器北京核仪器厂消费型电荷灵敏前置放大器北京核仪器厂消费主要用途主要用途 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谱仪。它用仪。它用N沟道场效应管作为输入管。沟道场效应管作为输入管。主要技术性能主要技术性能1灵敏度：灵敏度： 11012V/库仑库仑 或或40mV/MeV(Si)。2噪声特性：噪声特性： A型：型：2.2keV+0.05keV/pF 半宽度半宽度Si， (典型值：典型值：1.5keV+0.04keV/pF)。 3输出脉冲上升时间输出脉冲上升时间 30ns (外接电容为零外接电容为零)。4最大线性幅度输出范围：最大线性幅度输出范围：+2V负载为负载为1k。运用环境运用环境温度范围：温度范围：050相对湿度：相对湿度：90%课堂讨论：FH1048A型电压灵敏前置放大器北京核仪器厂消费型电压灵敏前置放大器北京核仪器厂消费主要用途主要用途 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，作前级放大运用。探测器的输出，作前级放大运用。主要技术性能主要技术性能1放大倍数：放大倍数： 5倍。倍。2稳定性：延续任务八小时，放大倍数变化稳定性：延续任务八小时，放大倍数变化0