第二章前置放大器课件

1、 内容提要1. 概述 一.前置放大器的作用 二.前放的分类(按与配的探测器分类略)2. 电荷灵敏前放 一.主要特征 二.电荷灵敏前放基本电路和实例分析 三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 四.电荷灵敏前放的改进（略） 五.电荷灵敏前放噪声的实验测量3. 电压(灵敏)前置放大器4. 电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）第二章前置放大器基本内容放大器的的作用和分类电荷灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器目的与要求(1)熟练掌握：电荷灵敏前置放大器的结构和实例分析。 (2)掌握：电压灵敏和电流灵敏前置放大器的特点。3前置放大器与探测器输出直接相联的电路称为前置级，一般这部分电路具有信

2、号放大功能，故称为前置放大器。 核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要加以放大再进行测量。探测器-放大器系统的连接方式所示，其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输出经高频电缆与主放大器相连。4前置放大器的作用1.提高系统的信噪比在探测器与放大器连接处存在分布电容Cs。后面将证明，Cs越小，则系统的信噪比越高。减小Cs的一个主要措施就是将放大器尽量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。如果把整个放大器和探测器安装在一起，系统比较笨重，并且可能受到探测器周围条件的限制，例如空间太小、核辐射太强等，常不便放置或操作。因此往往将放大器分为前置

3、放大器和主放大器。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测器构成一个整体 (称探头)，这样就减小了Cs，提高了信噪比。主放大器则通过电缆和探头相连，仪器本身以及使用人员的工作条件也就摆脱了现场条件的限制。 52.减少外界干扰的相对影响 前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干扰。前置放大器输出的信号沿电缆传送过程中受到干扰时，由于信号已经过放大，干扰对信号的影响相对减小。为了减小外界干扰的影响，除了前置放大器要有良好的屏蔽以及足够的放大倍数外，在传送弱信号时，所用电缆也要有良好的屏蔽和噪声性能，必要时还需使用低噪声双层屏蔽电缆或双芯电缆如图。后者要求主放大器为差分输入。3.合理布局

4、，便于调节和使用(前放为非调节式,主放放大调节倍数、成形常数)4.实现阻抗转换和匹配 (前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗)67信号的预放大探测器和前放的等效电路从放大器输入端看的输入电容Ci=CD+CS+Cai放大器输入端电压（忽略RD)CD为探测器输出电容CS为分布电容Cai为放大器输入电容8前置放大器的分类在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保留信号的不同特点，可以分为两大类：积分型放大器电压灵敏前置放大器对探测器信号先积分再放大电荷灵敏前置放大器放大和积分同时进行电流型放大器电流灵敏前置放大器保留输入电流信号的形状特征9电压灵敏型前置放大器基本原理V-V 电压放大器 探测器电流信

5、号在放大之前已被自然积分为电压信号。探测器电流 iD(t)积分型前置放大器10电压灵敏前置放大器的特性电路结构简单前放输出电压的幅度为VOM = AQ/Ci 而Ci=CD+CS+CAiCD 随外加偏压而变化；CS 随引线长短、元件位置因素变化而变化，Cai 与放大器工作状态有关。这些因素将使 VOM 的值在不同条件下发生变化，输出电压的精度不高，一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要求不高系统。如接在闪烁探测器后面。如果在输入端并联大的电容？ 幅度，噪声11电荷灵敏前置放大器基本结构和工作原理由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈电容组成的负反馈放大器。 12另外，从放大器的输入端看：由于

6、密勒效应，电容相当于被放大了（1+A)倍 C if = Ci + (1+A)Cf原电路可以等效成VOM 为输出信号幅度，它仅仅决定于Cf 值和Q的大小，将不随Ci 或A的不稳定而变化，只要Cf 值恒定，输出信号幅度保持与电荷量正比关系。 13应该注意以下几点：（1）与反馈电容并联的电阻起到泄放上电荷的作用，一般取值为108109，太小了会增加噪声，太大了起不到泄放作用。另一个作用是产生直流负反馈以稳定放大器直流工作点。（2）探测器与放大器之间用电容起到隔直作用。一般取值为几千pF量级。耐压为几千伏。3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器)图2.1.5 1,2用于能谱测量, 3用于时间测

7、量. 2. 电荷灵敏前放 输出增益稳定、噪声低、性能良好一主要特征1.变换增益(电荷灵敏度) 能量变换增益2.输出稳定性令 F= Cf /(Ci +Cf)Cf/Ci 若 A01, A0 F1。 A0 F足够大时，稳定。17输出电压稳定性 我们要求输出电压幅度尽可能不随开环放大倍数和输入电容的变化而变化，可以用输出幅度相对变化来衡量其稳定性的好坏。为了提高稳定性，可以增大开环增益A0 ，提高反馈系数F(减小Ci) 。 3输出噪声（能量噪声半宽度） 例：能量噪声半宽度 FWHM (Ge)=1Ke+0.03Ke/PF （无电容时等效噪声能量半宽度 噪声斜率） 4上升时间（tr）:输入冲击电流Q(t)

8、时上升时间（10%-90% VOM时间）, 101ns级 19 尽管探测器输出的每个电信号在电荷灵敏放大器产生的输出电压并不大，但是每输出一个信号都在Cf 上积累起来，虽然Rf 能泄放其上电荷，但tf = Rf Cf 由于很大，泄放很慢，就会造成信号堆积。 5. 动态范围和最高计数率20可以用坎贝尔(Campbell)定理来计算输出端平均直流电平及其涨落: 可以认为Vo(t) 的涨落服从高斯分布。21实际输出电压的瞬时值，落在 若希望99%的信号都被放大，即要求放大器动态范围不小于若放大器变换增益为440mV/1MeV, 对于能量为1MeV的粒子(平均计数率为10kc/s)，动态范围要大于7V

9、。22为了减小对动态范围的要求，探测器与电荷灵敏放大器之间采用交流耦合这样可以使直流分量为零，即动态范围仅仅要求：交流耦合三种组态的特点及用途共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电

10、路中亦兼有电位移动的功能。 放大电路三种组态的比较25典型电路T1管为结型场效应管，接成共源放大器。T2为共基放大器。T3管接成一个射极跟随器作为输出极。 T1管的变换增益 （T1管的跨导）T2管的变换增益T3管的变换增益 G3=1此放大器的开环增益为若 ，则A0 = 2500 1二电荷灵敏前放基本电路和实例分析图2.2.51.电路分析（输入级T1；放大级T2；输出级T3、T4）偏压及滤波；测试；反馈 正反馈R6C7改变输出脉冲上升时间； 退耦LC、RC。2定量估算(1)开环增益A0 v0ve3ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2 A0=|VOM/ViM|=gmRa2=gmRa2/(

11、1-A3)3000倍(2)上升时间 tr0=2.2Ra2Ca2/(1+A0F)2.2Ca(Ci +Cf)/( gmCf)22ns图2.2.6 路中加入中间放大级。 反馈的基本概念凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。1.概述HOME放大器输出输入取+ 加强输入信号 正反馈 用于振荡器取 - 削弱输入信号 负反馈 用于放大器开环闭环负反馈的作

12、用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈网络叠加反馈信号实际被放大信号反馈框图：HOME负反馈框图：基本放大电路Ao反馈回路F+输出信号输入信号反馈信号差值信号开环放大倍数闭环放大倍数反馈系数差值信号HOME负反馈放大器的一般关系：基本放大电路Ao反馈回路F+当AoF1时，反馈深度结论：当 AoF1 很大时，AF 只与反馈网络有关。即负反 馈可以稳定放大倍数。HOMEAoF1 为深度负反馈电荷灵敏前置放大器的噪声分析和抑制措施 高分辨率能谱测量装置中，要求探测器-放大器系统具有良好的信噪比。下面结合半导体探测器和结型场效应管输入放大级构成的系统进行讨论。前

13、者的应用范围广、固有能量分辨率好，后者的噪声小，所以这种系统在能量测量中具有典型意义。此外，在放大器中只考虑前置放大器第一级产生的噪声，因为这些噪声得到后面各级的放大，往往起着决定性的作用。并联噪声（与探测器电流信号并联）：探测器漏电流噪声（半导体探测器）场效应管栅极电流噪声偏压电阻RD 热噪声泄放电阻Rf 热噪声串联噪声（与探测器电流信号串联）：场效应管的沟道热噪声场效应管的低频噪声 3. 探测器和电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 探测器漏电流噪声偏压电阻热噪声 场效应管栅极电流噪声 场效应管沟道热噪声 场效应管低频噪声反馈电阻Rf 热噪声串联噪声源等效到并

14、联噪声的等效关系我们可以把串联噪声源等效到并联噪声，得到按噪声电流和频率关系可分为三部分， 其中， 电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 将噪声等效到输出端，噪声功率谱密度：降低噪声的方法：器件选择低频噪声小的器件；选择栅极漏电流小的场效应管热噪声与R成反比，RD和Rf 电阻值取大一些，或用其它方法放电，选用低介质损耗的电容；减少冷电容；选择合适的反馈电容环境探测器的反向漏电流在低温下可以降低降低温度，减少热噪声；滤波网络42为了防止并联电阻引起的噪声，可以不用电阻Rf 对电容放电，而采用以下电路原理：Vo超过阈值发光栅流Ig增加，放电到下阈值停止放电脉冲光反馈式

15、43电流灵敏放大器的特点响应快，可以获得精确的时间信息，也可以由波形分辩粒子；上升时间和脉冲宽度都较窄，有利于高计数率测量；可以用于能谱测量系统，特别是在需要选通测量的时候。噪声的测量 噪声测量噪声的测量 标定测量分析仪器 多道幅度分析仪 已知能量的放射源（例如56Fe，有5.89KeV和6.59KeV二个X射线）通过探测器，此系统测量能谱用来标定多道分析器得到二条谱线，求得每道对应的能量值。移去放射源。由精密脉冲源输入固定幅度的信号，这时测得的幅度谱的半高宽就代表了噪声的线宽 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

16、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1O000个计数。一般取78道以及几千个计数。 如果要测量除探测器外的电子学系统的噪声，测量时应将探测器和前置放大器的连线断开。 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100 s。输入端定标龟容器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。电容Cc一般安装在前置放大器内，其值可取lpF。

17、 测量用电压表的上限频率至少要为成形网络频率特性中心频率的l0倍，以保证把放大器输出端各种噪声分量都包括在内。电压表的3dB带宽一般应在10MHz以上。应当注意，一般电压表响应于输入信号的整流平均值，并按纯正弦输入信号刻度为有效值。用这种电压表测量噪声时，其读数乘以1.13才是所测噪声电压的有效值。 当系统内有偏置放大器(或称阈放大器、切割放大器)，只放大超过偏置电压的那部分信号时；或者系统内有基线恢复器，改变了噪声特性时，无信号输出时的输出噪声不同于有信号输出时叠加在输出信号峰值附近的噪声，所以不能用电压表方法而只能甩多道分析器方法测量噪声。50电压灵敏型前置放大器基本原理V-V 电压放大器

18、 探测器电流信号在放大之前已被自然积分为电压信号。近似认为探测器电流 iD(t)=Qd(t)51电流灵敏前置放大器实现方法电压-电压型放大器 在输入端并联上小电阻，在电阻上形成电压信号。电阻一般选为50，适合于信号幅度较大的情况。对V-V放大器要求其上升时间很小，一般在ns量级。 为了提高工作稳定性，并改善上升时间，采用了一定的负反馈。此时放大器增益：A=v0/vi=(R2+R1)/R1 一般说来，电压灵敏前置放大器的噪声要比电荷灵敏前置放大器的噪声大，因此往往不直接作为前置级；但作为电荷灵敏前置放大器的后继电路，可使信号电压进一步放大。理想集成运放工作于线性区 理想运放工作于线性区： “虚短”：运放的同相输入端和反相输入端的电位“无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。 “虚断”：运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于0，好象断路一样，但却不是