02第二章 前置放大器.ppt

1、兰州大学核科技学院。第二章前置放大器，前置放大器的作用和分类；电荷灵敏放大器；电压敏感放大器；电流敏感放大器。1概述，1。前置放大器和信号放大功能：在光谱仪读出系统和其他核辐射测量中，探测器的输出信号需要经过处理，包括对采集信号的放大、整形、鉴别、转换、分析和记录。由于检测器的输出信号通常很小，所以通常在测量前由放大器放大。因此，信号放大是核电子学信号处理的必要组成部分。减少干扰，提高信噪比：在实际测量中，探测器附近总是有一定的辐射剂量，工作人员必须远离辐射场操作测量仪器。为了减小检波器输出端和放大器输入端之间分布电容的影响，减少外部干扰，提高信噪比，并匹配用于连接信号的高频电缆的阻抗，放大器

2、通常分为前置放大器和主放大器两部分。前置放大器，也称为前置放大器，体积小，靠近检测器。前置放大器的输入端与检测器匹配，有时前置放大器靠近检测器，组装成一个“探针”结构，其输出端通过高频电缆与主放大器相连。在测量过程中，前置放大器的参数很少改变，放大倍数和形成时间常数由后面的主放大器调节。兰州大学核科学与技术学院，3，(1)提高系统的信噪比。因为核辐射探测器一般靠近辐射源(如放射源、加速器、反应堆等)。)，探测器工作地点可能是一个强辐射场，通常空间狭小(如水井、冷罐等)。)，或恶劣环境(如高温、高压、高腐蚀等。)，所以测试人员不适合在现场工作，也不适合。如果核探测器的输出信号在一定距离内直接传输

3、到整套仪器的测量室，并按图中所示进行布局，可以发现连接探测器和放大器的传输线越长，分布电容Cs越大，信噪比越小，甚至信号和噪声都无法区分(为了提高信噪比， 分布电容必须减小)，而不可能关闭主测量系统，例如核辐射探测器的放大器。 因此，放大器分为两部分：前置放大器和主放大器。前置放大器体积小，靠近探测器形成一个探头，使分布电容Cs最小化，尽可能提高信噪比，然后通过屏蔽电缆传输到主放大器。此外，由于探头尺寸小，屏蔽、密封和加固也很方便，以适应恶劣的环境条件。兰州大学核科学与技术学院，4，(2)降低外部干扰的相对影响。由于空间电磁干扰的存在或有时屏蔽和隔离不良，信号在远距离传输时往往会受到外界干扰，

4、因此有必要努力提高信号干扰比。前置放大器经过初步放大，提高了输出信号幅度和远程传输能力，外部干扰对信号的影响相对减小。前置放大器和检测器通常采取良好的措施，如屏蔽、接地、隔离和滤波。传输微弱信号时，需要屏蔽性能好、噪声低的电缆。当主放大器为差分输入时，使用低噪声双芯屏蔽电缆。兰州大学核科学与技术学院，5，(3)布局合理，易于调整和使用，为了减小尺寸，靠近辐射源的前置放大器通常需要一定的放大倍数，工作稳定可靠，并使放大倍数和形成时间常数的调整，这是由放置在测量室内的主放大器来完成的，以便于实验者操作和调整。(4)为了实现阻抗转换和匹配，前置放大器盒可以用作检测器和之间的阻抗转换器这种阻抗转换特性

5、可以在前置放大器电路设计中实现。兰州大学核科技学院，6。2.前置放大器的分类。根据前置放大器的不同特性有几种分类方法：为了匹配不同的检测器，可以有不同的前置放大器：电离室前置放大器电路比例计数器前置放大器电路半导体检测器前置放大器电路闪烁检测器输出电路等。根据探测器输出信号整形方式的特点，前置放大器可以分为三类：电压敏感前置放大器、电荷敏感前置放大器和电流敏感前置放大器。电压敏感前置放大器实际上是一个电压放大器。当设计电压放大器时，当其输入端的总电阻足够大时，放大器输出电压信号的幅度是相等的，而不管检测器电流脉冲的形状如何，只要它们携带相同量的电荷。兰州大学核科学与技术学院，8，电压敏感问题，

6、依赖于，并且它们的不稳定性经常发生，电压敏感前置放大器的主要问题是输入电容的不稳定性会导致输出电压幅度的不稳定性。在能谱测量中，这将降低系统的能量分辨率。例如，当使用PN结半导体检测器时，检测器的结电容将由于不稳定的偏置电压而改变，并且放大器的输入电容也将随着输入级的增益等的改变而改变。这降低了系统在能谱测量中的分辨率。因此，它主要用于低能量分辨率系统。兰州大学核科学与技术学院，9，可以引入一个大电容来相对降低不稳定性造成的影响，而不会显著增加噪声吗？这是下面将要讨论的具有反馈电容器连接模式的电荷灵敏前置放大器结构。2。电荷灵敏前置放大器，米勒积分器，兰州大学核科学与技术学院，10。AO是放大

7、器的开环增益，因此输出信号的电压幅度近似等于Cf上的电压。由于反馈电容足够稳定，输入端等效电容的影响可以忽略不计，输出电压具有良好的稳定性。因此，它常用于高能量分辨率的光谱仪系统中。109，兰州大学核科学与技术学院，11，3，电流灵敏前置放大器，直接放大探测器的输出电流信号，通常是一个并联反馈电流放大器，如图所示。此时，输出电压或电流与输入电流成正比，因此它被称为电流灵敏前置放大器。这种前置放大器输入电阻小，但时间响应好，因此常被用作快速放大器，由于其噪声较高，主要适用于时间测量系统。兰州大学核科学与技术学院，12，摘要，电荷灵敏前置放大器的输出电压，经过一定的网络整形后，也能产生与探测器输出

8、成正比的电流信号。相反，由于电流敏感前置放大器的输出信号与检测器输出电流信号的波形一致，所以输入信号的所有信息，包括电荷信息，都被保留。因此，这三种类型的前置放大器可以在适当的情况下相互转换。但是，从物理测量的要求来看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能谱测量和分析系统；电流灵敏前置放大器主要用于时间测量。兰州大学核科学与技术学院，13，电荷灵敏前置放大器是高分辨率能谱测量系统中应用最广泛的前置放大器，具有输出增益稳定、噪声低、性能好等优点。1.电荷灵敏前置放大器的主要特性当探测器向电荷灵敏前置放大器输入一定量的与射线能量成比例的电荷时，输出电压幅度被定义为转换增益。从物理实验的角度来看，

9、希望转换增益越大越好。首先，从物理实验的角度，提出了电荷灵敏前置放大器的指标要求：1转换增益，兰州大学核科技学院，15。在电荷灵敏前置放大器的实际电路中，反馈电容连接在放大器的反相输入端和输出端之间，起到负反馈的作用。放大器采用高增益宽带运算放大器，通常输入阻抗高，输出阻抗小，开环增益大，输入处于“虚地”，反馈电容相当于输入端。由于米勒效应，总输入电容为。一个，表示输入电流的总电荷。因为运算放大器的增益通常很大。输出幅度，例如：伏/库仑。因为它与电荷输入相关，所以也称为电荷灵敏度或电荷转换增益。对于电荷敏感放大器，当其足够大时，电荷转换增益仅与反馈元件的电容有关，而与总和的稳定性无关。因此，只

10、要使用具有高稳定性和精度的反馈电容器，就可以获得相应的稳定的电荷转换增益。能量转换增益，表示当检测到对应于单位能量的射线时前置放大器的输出幅度，即检测器产生的电荷为33，360，其中：为平均电离能，e为电子电荷，因此，如果1pF，对于硅半导体检测器，为3.62 eV，则为毫伏/兆电子伏。而对于锗半导体探测器，2.96电子伏是毫伏/兆电子伏。兰州大学核科学与技术学院，17，2，输出稳定性，电荷灵敏前置放大器输出幅度的基本表达式是讨论放大器开环增益和输入电容的可能变化及其对输出不稳定性的影响，并计算输出的相对变化值：阶表示反馈深度。兰州大学核科学与技术学院，18，Setting，从上面的公式可以看

11、出，为了提高输出稳定性和减少相对变化，电荷灵敏前置放大器需要足够大。因为它通常很小，所以反馈系数f的值也很小，并且放大器的开环增益必须很高。例如：如果1pF，5pF，那么。如果放大倍数和输入电容的相对变化为5，输出稳定性优于1/1000，则放大器的开环增益要求至少为500倍，这就要求放大器电路的选择和设计。兰州大学核科学与技术学院，19，3，输出噪声在测量中，除了真正有用的信号外，许多噪声源产生的噪声也叠加在信号上。因此，为了提高测量精度，必须尽量降低噪声，提高信噪比。这个性能指标对于前置放大器电路来说非常重要。在实际测量中，电子前置放大器的噪声通常用能量半宽度的FWHM表示。以一个实际的电荷

12、灵敏前置放大器为例，其噪声特性表示为(葛)1keV 0.03keVpF(注：该性能是在后级主放大器形成网络CRRC3.2ms时测得的，它与后级的形成时间常数有关。该公式的第一项表明，当没有外部电容时，对应的等效噪声能量半宽度，而后一项与输入电容的大小有关，它给出了当输入电容增加lpF时噪声能量半宽度的增量，这称为噪声斜率。由于前置放大器的噪声在测量系统中起着重要的作用，所以前置放大器必须采取措施降低噪声。)，兰州大学核科学与技术学院，20，4，输出脉冲的上升时间及其稳定性，上升时间tr指输入阶跃信号时输出信号脉冲的前沿从10变为90的时间。通常情况下，希望前置放大器能及时快速响应，输出信号的上

13、升时间越短越好。在能谱测量系统中，如果前置放大器输出信号的上升时间不稳定，则意味着前沿在变化，信号的幅值通过CR整形电路相应地变化，这可能导致系统的幅值分辨率下降。输出脉冲的上升时间取决于前置放大器本身的上升时间、检测器电流脉冲的持续时间和检测器的电极间电容一般来说，前置放大器本身的上升时间是有定义的，它是指输入脉冲电流时前置放大器输出电压的上升时间。目前，一般水平是几十纳秒。兰州大学核科学与技术学院，21，5。计数率效应，包括信号累积、输出动态范围和最大计数率。从探测器输出的单个信号来看，前置放大器输出信号的幅度很小，实际探测器输出的是大量的随机脉冲，这对前置放大器线性工作的动态范围提出了一

14、定的要求。在电荷灵敏前置放大器中，由于反馈电容上的充电效应，信号被一个接一个地累积。如果前置放大器上的电荷没有放电路径，放大器将无法工作，这是连续充电的结果。最简单的方法是将泄放电阻与电容并联，如图所示。兰州大学核科学与技术学院，22。然而，由于其较大(幅度)，时间常数仍然较大，这使得输出信号的后沿衰减非常慢，即计数率不高，并且输出波形也会产生明显的积累，如图所示，导致一定程度的输出非线性。它与电荷灵敏前置放大器输出幅度的动态范围有关。前置放大器输出的动态范围可以通过分析叠加特性和计算输出信号的平均值和均方根偏差来估计。当输入单个电流时，输出电压可以表示为：兰州大学核科学与技术学院，23。输出

15、信号的幅度被时间常数衰减。例如，当值很大时，它是毫秒。如果输出信号的平均计数率为q，则累计输出信号的平均值为：显然，由于信号积累，输出信号电压的平均值是单个输出信号的电压幅度的()倍，这与计数率有关。因为检测器的输出脉冲在时间上是随机分布的，所以实际输出电压在其平均值附近波动。可以证明统计波动的均方根偏差为：当平均计数率较高时，如果满足，输出电压的波动分布可以近似表示为高斯分布，即实际输出电压落入和的概率分别为68和99。如果要放大99.0以上的信号，前置放大器的动态范围不小于：例如，当，即当，即实际动态范围应为单个输出信号幅度的16倍时。例如，对于转换增益为440毫伏的前置放大器，对于能量为

16、1毫伏的辐射，当，动态范围应大于7伏。可以看出，由于信号积累，电荷灵敏前置放大器必须具有足够大的动态范围，一般不小于几伏。实际上，动态范围是指在一定非线性失真下的最大输出幅度。因此，该性能指标通常与微分或积分非线性指标同时给出。有时，某些能量射线的最大计数率被用来表示动态范围。兰州大学核科学与技术学院，25。如果DC耦合变为交流耦合，如图所示，输入端用作DC阻断电容，即交流耦合电荷灵敏前置放大器。此时，由于DC阻塞，输出中将没有DC分量，即平均值等于零。与上述DC耦合方式相比，在相同的非线性要求下，前置放大器的输出动态范围和时间常数不变，因此交流耦合系统可以比DC耦合系统工作在更高的计数率下(

17、当然，稍后将会看到，整个能谱测量系统的最高计数率不仅取决于前置放大器，还取决于主放大器的整形网络参数)。兰州大学核科技学院，26，兰州大学核科技学院，27，兰州大学核科技学院，28，兰州大学核科技学院，29，3。电荷灵敏前置放大器的主要噪声分析及抑制措施。对于高分辨率的能谱测量设备，要求探测器放大器系统的信噪比尽可能高，而前置放大器第一级的降噪一般是考虑到信号的信噪比因为第一级产生的底部噪声被随后级的放大器放大，所以它在决定整个器件的噪声方面起着重要作用。兰州大学核科学与技术学院，30，1。能谱测量中的能量分辨率(综述)，(1)，能谱曲线和能量分辨率，粒子能量E，探测器电荷Q，输出电压V积分前置放大器将使其输出信号