核电子学课件5

1、第三章 前置放大器,本章介绍 前置放大器的作用与分类； 电荷灵敏放大器； 电压灵敏放大器； 电流灵敏放大器,第一节 前置放大器的作用与分类,3.1.1前置放大器的作用 信号的放大：在谱仪读出系统中，以及其他核辐射测量时，要对探测器输出信号进行处理，包括对所获取的信号进行放大、成形、甄别、变换，分析、记录等等。由于探测器输出的信号往往比较小，一般情况下，都首先要通过放大器放大后再进行测量。所以，信号的放大是核电子学信号处理的一个必要部分。 减少干扰，提高信噪比：在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量存在，工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器。为了减少探测器输出端到放大器输入端之间的分布电容

2、的影响，减少外界干扰，提高信噪比，并使联接信号用的高频电缆阻抗相应匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大器两部分。前置放大器又称为预放大器，它的体积较小，放置在探测器附近，前置放大器的输入与探测器相配合，甚至有时前置放大器紧靠着探测器，组装在一个结构中，称之为“探头”，其输出端再经过高频电缆与主放大器相连。在测量过程中，前置放大器的参数一般很少变动，而由后面的主放大器来作放大倍数和成形时间常数的调节。,前置放大器的作用与分类,3.1.1.1 提高系统的信噪比 由于核辐射探测器一般紧靠辐射源(如放射源、加速器、反应堆等)，所以探测器工作现场可能是强的辐射场，往往空间狭窄(如井状、冷罐等)，或环

3、境恶劣(如高温、高压、高腐蚀等)，测试人员不宜在现场工作，而且也不宜放置大体积的仪器。如果把核探测器的输出信号直接传送到有一定距离的成套仪器的测量室去，按图所示来布局，可以发现：探测器与放大器连接的传输线愈长，分布电容Cs会愈大，则信噪比相应愈小，甚至无法区分信号和噪声(要提高信噪比，必须减小分布电容Cs)，而要把放大器等主机测量系统紧靠核辐射探测器是不可能的，因此把放大器分成前置放大器和主放大器两部分，前置放大器的体积小，并紧靠探测器构成探头，使之分布电容Cs尽量减小，尽可能提高信噪比，再由屏蔽电缆线远传给主放大器。此外，由于探头的体积小，也便于进行屏蔽、密封、加固，以适应较恶劣的环境条件。

4、,前置放大器的作用与分类,3.1.1.2 减少外界干扰的相对影响 由于空间电磁干扰存在，或有时屏蔽和隔离不好，在信号远距离传输时，往往串入外界干扰，需要设法提高信号干扰比。 比较上图和前图所示两种结构和连接方式，前面一种探测器直接输出，由于输出信号较小，外界干扰相对较大，而后一种布局，由于前置放大器已作了初步放大，提高了输出信号幅度和远传能力，外界干扰对信号的影响相对减少。 为了更好地抑制外界干扰，前置放大器与探测器一起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔离、滤波等措施。在弱信号传输时，还需用屏蔽良好、噪声较小的电缆线，当主放大器为差分输入时，则采用低噪声双芯屏蔽电缆。,前置放大器的作用与分类,3.

5、1.1.3 合理布局，便于调节和使用 为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要求有一定的放大倍数，工作稳定可靠，并作成非调节式，放大倍数以及成形时间常数的调节，则由主放大器来完成，主放大器放在测量室，便于实验者操作调节。 3.1.1.4 实现阻抗转换和匹配 前置放大箱是在探测器和主放大器之间可作为一个阻抗转换器，探测器通常要求后级有高的输入阻抗以利于信号输出，而前置放大器通过电缆远距离传送给主放大器时，则要求有能与电缆阻抗相匹配的低的输出阻抗及传递信号。这一阻抗转变特性在前置放大器电路设计中可以实现。,3.1.2前置放大器的分类,前置放大器按不同的特点有几种分类方法： 与不同的探测器相配，可以

6、有不同的前置放大器，例如有 电离室前置放大器电路， 正比计数器前置放大器电路， 半导体探测器前置放大器电路和 闪烁探测器输出电路等。 根据探测器输出信号成形方式的特点分类，前置放大器可以分为 电压灵敏前置放大器： 电荷灵敏前置放大器和 电流灵敏前置放大器三大类。,3.1.2.1电压灵敏型,电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器，如图所示。探测器输出的电流信号用 来表示， 为信号持续时间，考虑到探测器的极间电容 ，放大器的输入电容 ，以及连线分布电容 ，则放大器输入端的总电容为 ，假定放大器输入电阻很大，可忽略其并联作用，则输入电流 在输入电容上积分为输入电压信号 ，幅度值为， ，通过电压放大器

7、后的输出幅度 ，即输出电压幅度与电荷量Q成正比(即电荷量Q是与射线能量成正比的)。所以设计电压放大器时，在其输入端的总电阻足够大时，不论探测器电流脉冲的形状如何，只要它们所携带的电荷量 相等，则放大器输出电压信号的幅度也相等。,电压灵敏型的问题,电压灵敏前置放大器的主要问题是输入端电容 ，不稳定会导致输出电压幅度 的不稳定。在能谱测量中，这将使系统的能量分辨率降低。 决定于 ， 和 ，它们的不稳定是常会出现的，例如探测器的极间电容在使用PN结半导体探铡器时，由于偏压不稳定，其结电容 会产生变化，而放大器输入电容 ，也随输入级增益的变化而变化等等。 能否引入一个大电容来相对减少由于 不稳定所带来

8、的影响，而又不使噪声有明显增加呢，这就是下面要讨论的采用反馈电容的连接方式的电荷灵敏前置放大器结构。,3.1.2.2电荷灵敏型,电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈的电流积分器，如图所示。由于引入反馈电容 ，(或称为积分电容)，这时从放大器输入端来看，加反馈后输入端的总电容 ， 为开环增益， 是不考虑 时输入端的总电容。 当 很大时， 主要是 起作用，可以认为输入电荷Q都积累在 上，输出信号电压幅度近似等于 上的电压，即 因为 常量，所以 只与总电荷量Q有关，鉴于这一特点，常将这种类型电路称为电荷灵敏前置放大器。,由于反馈电容可以足够稳定，输入电容 的影响可以忽略，输出电压幅度 有很好的稳定性

9、，因此这种电荷灵敏前置放大器常用于高能量分辨率能谱仪系统。 为了释放 上不断累积的电荷量，并稳定反馈的直流工作点， 需要采取一些措施， 如附加一个阻值较大( 109量级)的反馈电阻 与 并联， 常称为泄放电阻。,3.1.2.3电流灵敏型,电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接进行放大，它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，都与输入电流成正比，故称之为电流灵敏前置放大器。这类前置放大器的输入电阻较小，但时间响应较好，常用做快放大器，只因相对噪声较大，主要适用于时间测量系统。,从电荷(或电压)灵敏、至电流灵敏前置放大，它们输出信号所保留的信息，实际上都与探测器输出信号

10、模拟相对应的。电荷灵敏前置放大器输出的电压，经过一定的网络成形，也能产生正比于探测器输出的电流信号。反过来，电流灵敏前置放大器输出信号既然与探测器输出电流信号的波形保持一致，也就保留了输入信号的全部信息，包括电荷信息。因此，这三类前置放大器在适当情况下可以互相转换。但从物理测量的要求看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能谱测量分析系统；电流灵敏前置放大器则主要用于时间测量。,第二节 电荷灵敏前置放大器,电荷灵敏前置放大器是目前高分辨能谱测量系统中用的最多的前置放大器，它的输出增益稳定，噪声低，性能好。,3.2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性,首先从物理实验的角度，提出对电荷灵敏前置放大器的

11、指标要求： 3.2.1.1 变换增益 当探测器将正比于射线能量E的一定的电荷量Q输入到电荷灵敏前置放大器时，输出电压幅度 ，定义变换增益为 ，从物理实验的角度看，希望其变换增益越大越好。 在电荷灵敏前置放大器的实际电路中，反馈电容跨接于放大器的反相输入端和输出端之间，起着负反馈作用，放大器采用高增益宽带运算放大器，通常输入阻抗很高，输出阻抗很小，开环增益 很大，所以电路简化成上图的形式，并且输入端处于“虚地”方式。 把反馈电容 ，等效到输入端，由于密勒效应，总的输入电容为,由此 Q表示输入电流 的总电荷量。 因为运算放大器的增益 通常很大，即 1，而且（1 ） ，所以 。 而输出幅度 于是，变

12、换增益为 (伏库仑或伏皮库仑)。 表示单位电荷量输入该放大器后所得到的输出幅度。例如 1pF， 伏/库仑。因 是相对于电荷量输入而言，又称为电荷灵敏度，或电荷变换增益。对电荷灵敏放大器，当 足够大时，电荷变换增益 仅与反馈元件电容 有关，而与 和 是否稳定无关，因此只要采用高稳定度精密的反馈电容，即可得到相应稳定的电荷变换增益。,还可定义能量变换增益 ，它表示相应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出幅度的大小，即 由探测器产生的电荷量为 其中： 为平均电离能，e为电子电荷，所以， 若 1pF，对硅半导体探测器， 3.62 eV， 则 mV/MeV。而对锗半导体探测器， 2.96 eV，则

13、mV/MeV。 把通过电荷灵敏前置放大器后的幅度输出，与表1.1仅用半导体探测器在10pf电容上输出约4.8mVMeV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数量级还多，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力要强得多了。,3.2.1.2 输出稳定性,电荷灵敏前置放大器的输出幅度 基本表示式为 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，可以算出输出的相对变化值： 令 则 表示反馈深度。,设 ， ，则 由上式可见，要提高输出稳定性，减小相对变化量，对电荷灵敏前置放大器来说，要求 足够大。因一般 取得较小，所以反馈系数F值也较小，此

14、时放大器开环增益 必须很高。 举例：如 1pF， 5pF，则 。若放大倍数和输入电容相对变化各为5，而又需要输出稳定性要好于千分之一，则要求放大器的开环增益至少大于500倍，这对选用设计放大电路提出了要求。,3.2.1.3 输出噪声,在测量中，除了真正有用的信号外，同时由许多噪声源所产生的噪声与信号叠加在一起，因此要提高测量精确度，必须设法减小噪声，尽量提高信噪比，这一性能指标对前置放大器电路是很重要的。 在实际测量中， 电子学前置放大器噪声常用能量半宽度FWHM来表示，以一个实际的电荷灵敏前置放大器为例，其噪声特性表示为FWHM(Ge)1keV + 0.03keVpF(注：此性能在后级主放大

15、器成形网络CRRC3.2ms时测量得到，它与后级成形时间常数有关，该式第一项表示为没有外接电容时，相应等效的噪声能量半宽度，而后一项与输入电容大小有关，它给出了输入电容每增加lpF时，噪声能量半宽度的增量，称为噪声斜率。由于前置放大器的噪声在测量系统中起着主要作用，减小噪声必须从前置放大器采取措施，我们将用专门篇幅进行讨论。,3.2.1.4 输出脉冲上升时间及其稳定性,上升时间 ，是指输入一个阶跃信号时输出信号脉冲前沿由幅度的10变化到90的时间，通常希望前置放大器在时间上能较快的响应，要求输出信号的上升时间愈小愈好。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，即表示前沿在变化，

16、通过CR成形电路，使信号幅度值相应也发生变化，可能导致系统的幅度分辨率降低。 输出脉冲上升时间 ，取决于前置放大器本身的上升时间 、探测器电流脉冲的持续时间、以及探测器的极间电容。通常定义前置放大器本身上升时间 ，是指前置放大器在输入冲击电流时 ，输出电压的上升时间。目前一般水平为几十纳秒。,3.2.1.5 计数率效应,计数率效应包括信号堆积，输出动态范围和最高计数率等问题。 从探测器输出单个信号来看，前置放大器输出信号的幅度较小，而且实际探测器输出是大量的随机脉冲，它对前置放大器线性工作的动态范围提出一定要求。 在电荷灵敏型前置放大器中，由于对反馈电容 的充电作用，信号是一个一个累加上去的，

17、如果不给 上的电荷以放电通路的话，那末不断充电的结果，将使放大器无法工作，最简单的办法是与电容并联一个泄放电阻，如图所示。,堆积现象,但由于 大( 量级)，所以时间常数，仍然较大，使输出信号的后沿衰减很缓慢，即计数率不高，输出波形也会产生明显的堆积，如图所示，造成一定幅度输出非线性。它与电荷灵敏前置放大器输出幅度动态范围有关。,对前图电路，分析其堆积特性，计算输出信号平均值 及均方根偏差 ，可以估算前置放大器输出的动态范围。 当输入单个电流 时，由于反馈放大器输入端X点为虚地，则输出电压 可表示为 其中 。 输出信号幅度 ，输出信号 以时间常数 衰减， 值较大时，例如 ， ，则 ，为毫秒数量级

18、。 如输出信号的平均计数率为 时，每个电流脉冲的电荷量为Q，则堆积的输出信号的平均值为 显然，由于信号堆积，输出信号电压平均值为单个输出信号电压幅度 的( )倍，它与计数率 有关。,由于探测器输出脉冲在时间上是随机分布的，实际输出电压 是围绕其平均值 上下起伏的，可以证明，其统计起伏的均方根偏差： 当平均计数率 较高，如满足 ，这时输出电压的上下涨落分布可近似表示为高斯分布，即实际输出电压 落在 和 的范围内的概率分别为68和99。希望对99.0以上的信号都能给予放大，则前置放大器的动态范围因不小于：,例子： 当 ， ，即 10时，算得： ，即实际动态范围应是单个输出信号的幅度的16倍，如对变

19、换增益A440mVMeV的前置放大器来说，对于能量为1MeV的射线，当 10kcs时，动态范围要大于7伏才行。 可见，由于信号堆积，电荷灵敏前置放大器必须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。所以这一性能指标常与微分或积分非线性指标同时给出。有时也用一定能量射线的最高计数率来表示动态范围的大小。,如果把直流耦合改成交流耦合，如图所示，输入端用 作隔直电容，这就是交流耦合型电荷灵敏前置放大器。此时输出 将由于隔直不存在直流成份，即平均值 等于零。与上面直流耦合方式相比较，在同样的非线性要求下，前置放大器的输出动态范围和时间常数不变，那么交流耦合

20、系统比直流耦合系统可以允许在较高的计数率下工作(当然，以后还要看到，对整个能谱测量系统，其最高计数率不只决定于前置放大器，还与主放大器的成形网络参数有关)。,上述电荷灵敏放大器的主要指标，为具体电路的设计考虑和分析研究明确了要求。但应该注意各项指标的性能高低，需要结合具体物理实验的需要，全面权衡考虑，因为实际上有些指标是相互牵制，制约的，不应该片面地强调某一指标，而应综合全局考虑，才能做出适合自己工作的前置放大器。,3.2.2电荷灵敏前置放大器的主要噪声分析和抑制措施,如前所述，对于高分辨率的能谱测量装置，要求探测器放大器系统的信噪比尽可能的高，放大器中一般只考虑在前置放大器第一级减少噪声。因为第一级产生底噪声为后面各级放大器所放大，它在决定整个装置的噪声中起着主要的作用,探测器及前放第一级的信号和主要噪声源的等效电路如图所示。噪声源按其在电路总的位置分为并联电流噪声源和串连电流噪声源。如果把串连电压噪声也转化成并联形式，就可得出总的噪声表达式。 探测器漏电流的噪声： 电阻R的热噪声： 场效应管栅极漏电流 的噪声： 场效应管沟道热噪声： 场效应管闪烁噪声： 反馈电阻 的热噪声：,3.2.2.1 前放的串连噪声和并联噪声,并联电流噪声源：,在图中，