修改版电荷灵敏前置放大器 修改较小
核电子学习题+答案+课后答案
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
电荷灵敏前置放大器
【实验目的】1.研究电荷灵敏前置放大器的放大特性；2.学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法；3.了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性。
【实验仪器】我们以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象，现将其有关问题做一介绍：1．框图、线路图：（1）框图：（2）线路图（供参考）【实验内容】1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
（1）测试原理：实验线路如下图所示：在前放的检验端输入幅度为V i （带负载情况下的幅度）的负阶跃脉冲，则输入电荷Q i＝i C V C 。
输入电流则近似为冲击电流Q i δ（t ）。
测出输出幅度V o ，则变换增益为：o o c i c iV VA Q C V == 测量输出信号下降时间常数即为前放输出脉冲衰减时间常数。
本前放pf 1C ,pf 1C ,10R c f 9f ==Ω=，最大输出幅度2V 。
将信号发生器输出幅度调为约为2V （2）理论思考：① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o V 受c C 的影响吗？将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的c A ，有影响 例如：若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？pf 5.0C c =，V i =4V ；2pf ，V i =1 V② V i 的极性、幅度、脉宽及周期的上、下限应如何考虑？ 极性：负极性a. 若V i 如下图，V o 该如何？b.若V i 如下图，V o 又该如何？答：这两个图的差别主要是输出信号是否能在一个水平端完成衰减，因为我们要测量时间常数，所以选择a ，让输出信号有足够的时间稳定下来。
为方便f f f C R =τ= 1ms 的测试，你选上述a 、b 中的哪种V i ？【a 】 （思考：对指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τtM o eV t V -=)(那么经过τ=t 时间，M MtM o V eV eV t V 37.0)(≈==-τ，可否利用此结果来测出τ？ 答：可以，用示波器的幅度和时间测量可以完成该测量。
多路电荷灵敏前置放大器
４脉冲上升 时间 ０～４ ） Ｖ时 ， ０ ｓ ￣１ｎ 。
５输出电压动态范围 ）
的信 噪 比和较快 的时间响应 ， 另外还考虑整个 电路和仪器体积要尽量小 。所 以， 须使电路 必 结构尽量简单 ， 有较高的集成度 。在每一路 要 中我们采用一个集成运算放大器构成电荷灵敏
前置放大器 电路。另外 ， 在整个 电路 中为了降 低噪声 ， 在每一路中又采用了 Ｎ沟道结 型低噪 声场效应管 ２ Ｋ１２ Ｓ ５ 作为电荷灵敏前置放大器
１ 基本设计 思想与 电路形式 ［ ］ １ ＿ ２
在电路设计过程 中， 虑到 电路要有较高 考
置放大器 。在这样大规模 的测量系统 中， 目 从 前使用 的常规电荷灵敏前置放大器来说 ， 无论 从体积上 ， 还是 价格上都 很不适 应实 际需要 。
因而， 在实验 中， 对测 量仪器提 出 了更 高 的要
使用方便等特点， 并对它的设计 以及特点作了较详细的阐述
关键 词 ： 电荷灵敏 Ｉ 放大器 ； 多路
中圈分类号 ： Ｔ ８ Ｌ 文 献标识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ５－９ ４ ２ ０ ） ６０ ４－３ ２ ８０ ３ （ ０ ６ ０— ７， 往往需 要探测单元是很多 的。每一个探测单元配备一 套 电荷灵敏前置放大器 ， 这样 ， 就需要 很多前
程师 ， 事核电子学 的研 究 从
７６ ４
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图 １ 基本 电路原理 图
在 电路 中 Ｒ１ 、 １Ｒ１ 、 ２ 、 ５ Ｒ４ 、 Ｏ Ｒｌ 、 ９ Ｒ ７ Ｒ３ 、 ３
Ｒ １ Ｒ ９和 Ｃ ０ Ｃ１ 、 ２ 、 ３ 、 ４ 、 ５ 、 ５、 ５ １ 、 ３ Ｃ ３ Ｃ ３ Ｃ ３ Ｃ ３
路设计 了一个独立 的能量 Ｅ输 出， 用于能谱 的测量 ， 另外 还有 一个 独立 的定 时信 号 Ｔ输 出， 用于时 间的测量。每路有单独 的信号输入 。 Ｔ Ｓ Ｅ Ｔ为公共输 入， 电路里面给各 路前放独 在
电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计
Ｐｏ ｗｅ ｒ ｓ ｕ Ｌ ｐ ｐ ｌ ｙ ｄ ａ ｅ ｎ ｏ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ － ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｒ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｔ ｉ ｅ ｒ
Ｘ Ｉ Ａ Ｏ Ｈ ａ ｉ － ｊ ｕ ｎ ， Ｚ ＨＡ Ｎ Ｇ Ｌ ｉ ｕ － ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｘ Ｉ Ａ Ｏ Ｓ ｈ ａ — ｌ ｉ ， Ｌ Ｉ Ｘ ｉ ａ ｎ － ｃ ａ ｎ ｇ ， Ｈ Ｕ Ａ Ｎ Ｇ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｈ ｕ ａ
・电子 电路 ・
电荷灵 敏前 置放 大器 消 除 电源 噪声 的设 计
肖海军 ， 张流 强 ， 肖沙 里 ， 李先 仓 ， 黄振 华
（ 重庆大学光电技术及系统 教育部重点实验室 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ３ ０）
摘
要： 在高灵敏度光电探测领域， 常常采用雪崩二极管（ Ａ Ｐ Ｄ ） 等高增益探测器， 这些探测器
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｈ ｉ ｇ ｈ ｇ ａ ｉ ｎ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ａ ｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ （ Ａ Ｐ Ｄ ） ａ ｒ ｅ ｗ ｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ
第４ ３卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ２月
激 光 与 红 外
Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＆ Ｉ ＮＦ ＲＡＲＥ Ｄ
Ｖｏ １ ． ４３， Ｎｏ． ２
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ， ２ ０ １ ３
文章编号： １ ０ ０ １ － ５ ０ ７ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ １ ９ ０ － ０ ５
电荷灵敏放大器
Vom
由于输出的幅度反映了输入电荷的大小，且 与输入电容无关，顾称之为电荷灵敏前置放 大器。
Q ≈ Vf ≈ Cf
电荷灵敏前置放大器
工作原理 如图5 如图5-1-3( 核电子学），可以得到：
vO ( ∞ ) = − A0 vi ( ∞ )
式子中 vi ( ∞ ) 为输入信号的稳定值。 输入电荷为：
Q = ∫ ii dt
0 tw
考虑到
Q = −vi ( ∞ )Ci + [v0( ∞ ) − vi ( ∞ ) ]C f
有上式可以得到输出信号的稳定值：
Vom = v0( ∞ )
A0Q A0Q = = Cifo Ci + (1 + A0 )C f
Cif 0 = Ci + (1 + A0 )C f 是电荷灵敏放大器的低频
5、输入阻抗 在阻容式反馈放大器中，低频阻抗决定于反馈电阻 和电容。 Rf 低频阻抗为：
1 + A0
低频输入的电容是： C f (1 + A0 ) + Ci ≈ A0C f
信噪比
信噪比又称为讯噪比，是信号的有用成份 与杂音的强弱对比，常用分贝数表示。设 备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。 信号幅度(或能量)与噪声幅度(或能量) 信号幅度(或能量)与噪声幅度(或能量)之比， 通常使用SNR、S/N表示，单位：分贝 dB。 通常使用SNR、S/N表示，单位：分贝 dB。
电荷灵敏前置放大电路
2、光反馈电荷灵敏前置放大器 对于阻容式前置灵敏放大器反馈电阻产生 的噪声是最主要的因素之一，故可以采用 除去反馈电阻的方法。但是有必须除去反 馈电容不断积累的电荷。 采取的方法：才用施密特触发器进行放电。
电荷灵敏前置放大电路
实验二电荷灵敏放大器
实验二 电荷灵敏放大器一、 实验目的1、进一步掌握电荷灵敏放大器的电路结构的特点和工作原理。
2、学习电荷灵敏放大器性能指标的测试方法。
3、掌握电荷灵敏放大器的特点和用途。
二、 实验内容1、静态工作点测试；2、上升时间测量；3、电荷灵敏度测量；4、非线性测量；5、噪声特性测量。
三、 实验原理当给半导体探测器加上反偏压后，如果有射线照射，则在探测器的灵敏区内产生电子-空穴对，其数目与射线粒子在灵敏区内损失的能量E 成正比。
这些电子-空穴对被探测器结电容d C 收集，形成电压脉冲，其幅度为：dC QU =， 这里Q 是收集到的电荷量。
图2-1电荷灵敏放大器原理图由于半导体探测器的结电容d C 随外界温度和外界偏压而改变，使得输出信号的幅度不稳定，给能谱测量带来很大困难。
为解决此问题，需要使用电荷灵敏放大器。
电荷灵敏放大器原理如图2-1所示。
其中d Cr C 是放大器的输入电容和分布电容之和。
f C 为反馈电容。
如将反馈回路的电容等效到输入端，则输入端的总电容为()f r d C A C C 01+++。
当半导体探测器输出电荷Q 时，在放大器输入端形成的信号电压为()fr d sr C A C C QU 01+++=如果满足条件10> A ，()r d f C C C A +> +01，则 fsr C A QU 0放大器的输出信号幅度为 fsr sc C Q U A U=× =0 由此可见，只要满足上述条件，电荷灵敏放大器的输出信号幅度就仅与探测器输出的电荷Q 成正比，而与探测器的结电容d C 和放大器的输入电容r C 无关。
输入单位电荷所产生的输出电压值为fsc C U 1= fC 1称为电荷灵敏度。
由式可见，要提高电荷灵敏度，应选择较小的f C 值。
本实验所用FH1047A 电荷灵敏放大器，其电路原理如图2-2。
其中，1T 采用结型场效应管3DJ7G ，它具有极小的栅流，很高的输入电阻，很小的输入电容，这是获得低的噪声所必需的。
基于ORCAD／PSPICE的电荷灵敏前置放大器仿真分析
上 得 到 一２ ６ ７ ｍＶ， Ｑ一 ２ ５ Ｏ Ｃ， ．３９ 而 ． ×１ 。
１ 电路 图 的 绘 制
电荷灵 敏 前置 放 大器 仿 真 电路 见 图 ２ ） 。１ 在 能 量测 量 时 要求 前 置放 大 器 本 身 噪声 小 ， 以
保证放大微弱 的电荷信号 并分辨 出其 微小差 别， 故选 用 Ｌ ３ ７作 为 放 大 器。Ｌ ３ ７采 用 Ｆ５ Ｆ５ ＪＥ Ｆ Ｔ作输入级 ， 自身输 入阻抗高 达 １ 具 Ｏ Ｑ， 有较高的带宽和开环放大倍数 、 极快 的建立时
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第２ ６卷
２０ 年 ０６
第 ４期
７ 月
核 电子学与探测技术
Ｎｕ ｌａ ｌｃｒｎｃ ｃｅｒＥ ｅｔｏ ｉｓ＆ Ｄｅｅ ｔ ｎ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ ｔｃｉ ｃ ｎ ｌｇ ｏ
Ｖ０ ６ Ｎｏ ４ Ｌ２ ．
Ｊ ｌ ２ ０ ｕｙ ０ ６
Ⅱ） Ａ商 业 软 件开 发 商 Ｏ Ｇ 公 司 和 开 发 Ｒ Ｐ ＰＣ Ｓ Ｉ Ｅ软件的 Ｍｉ ｏ ｉ ｃ Ｓ ｒ ｍ公 司于 １ ９ 年实现 ９８ 强强 联 合 后 推 出 的 Ｐ Ｐ Ｃ 的最 新 版 本 ， 括 Ｓ ＩＥ 包 主程序项 （ｃ ｅ ｔ ｓ、 Ｓ ｈｍａ ｃ） 分析程序 （ ｓｉ ） 输 ｉ Ｐｐ ｅ、 ｃ 出波形 后 处 理 程 序 （ ｒｂ ） 信 号 源 编 辑 器 Ｐｏ ｅ、 （ ｔ ｌ Ｅ ｉ ｒ 、模 型 参 数 提 取 程 序 Ｓｉ ｕ ｄ ｏ ） ｍｕ ｓ ｔ （ ａｔ 、 Ｐ ｒ ） 设计优化程序 （ ｓｉ ｐｉ ｉ ｒ 、 ｓ Ｐ ｐ ｅＯ ｔ ｚ ） 印 ｃ ｍ ｅ 刷电路 板版 图编辑 （ ｃｏ ｉ Ｐ Ｂ ａｄ ） 。 Ｍｉ Ｓ ｒ ｍ Ｃ ｏｒ ｓ 等
电荷灵敏前置放大器在核电子学中的发展现状
流耦合，R 实现阻抗匹配通，过
图 2.1 一种小尺寸电荷灵敏前置放大器的电路图
RLC 滤波电路消除纹波， R 上另 加了一级 RC 滤波电路，以减小电
源产生的干扰。另外，在集成运放的输入端也各加了一级 RC 滤波电路。 在材料的选择上，首先要考虑到的是噪声问题。前置放大器的噪声源包括反馈电阻的热噪
1. 电荷灵敏前置放大器的基本原理
电荷灵敏前放一般是由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈元件为电容组成的负
反 馈 放 大 器 ， 原 理 图 见 图 1.1 。 若 将 从 探 测 器 出 来 的 电 信 号 iD(t) 看 成 是 冲 击 信 号 即 ： iD (t ) = Qδ (t ) ，它的复频域表达式为 ID ( S ) = Q 。另外原理图中 Ci、C f 分别表示输入端电容
图 2.2 前置放大器的上升、下落时间测量图
文献[3]中同样为了配合可携带型的小型半导体 CdZnTe 探测器也设计了一种小尺寸 (3mm×7mm×3mm)的电荷灵敏前放。其放大器的电路图与上述的类似，其中为了提高输入级输 入阻抗选用 N 沟道结型低噪声场效应管 2N4416 作为输入级，选用宽频带高速运算放大器 MAX477 构成放大级实现响应速度快、频带宽、功耗低等要求。在该实验中通过对仪器的性能 测量，结果显示这种便携式的 CdZnTe 探测器与小尺寸的电荷灵敏前放的结合同样具有较好的 能量分辨率和探测效率，也论证了便携式探测器的可行性，例如这种探测器可用于手持式肿瘤 探测仪之中，大大缩小了探头的尺寸，既方便了医生的操作，又提高了肿瘤定位的准确性。
电荷灵敏前置放大器
电荷灵敏前置放大器【实验目的】1.研究电荷灵敏前置放大器的放大特性；2.学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法；3.了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性。
【实验仪器】我们以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象，现将其有关问题做一介绍：1．框图、线路图：（1）框图：（2）线路图（供参考）【实验内容】1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
（1）测试原理：实验线路如下图所示：在前放的检验端输入幅度为V i （带负载情况下的幅度）的负阶跃脉冲，则输入电荷Q i＝i C V C 。
输入电流则近似为冲击电流Q i δ（t ）。
测出输出幅度V o ，则变换增益为：o o c i c iV VA Q C V == 测量输出信号下降时间常数即为前放输出脉冲衰减时间常数。
本前放pf 1C ,pf 1C ,10R c f 9f ==Ω=，最大输出幅度2V 。
将信号发生器输出幅度调为约为2V （2）理论思考：① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o V 受c C 的影响吗？将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的c A ，有影响例如：若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？pf 5.0C c =，V i =4V ；2pf ，V i =1 V② V i 的极性、幅度、脉宽及周期的上、下限应如何考虑？极性：负极性a. 若V i 如下图，V o 该如何？b.若V i 如下图，V o 又该如何？答：这两个图的差别主要是输出信号是否能在一个水平端完成衰减，因为我们要测量时间常数，所以选择a ，让输出信号有足够的时间稳定下来。
为方便f f f C R =τ= 1ms 的测试，你选上述a 、b 中的哪种V i ？【a 】（思考：对指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τtM o eV t V -=)(那么经过τ=t 时间，M MtM o V eV eV t V 37.0)(≈==-τ，可否利用此结果来测出τ？答：可以，用示波器的幅度和时间测量可以完成该测量。
阻容反馈式电荷灵敏前置放大器的开环增益计算
阻容反馈式电荷灵敏前置放大器的开环增益计算【摘要】本文对分立式阻容反馈式电荷灵敏前置放大器开环增益计算过程进行了详细介绍，采用计算方法是总增益等于各级增益乘积，后一级电路的输入电阻作为前一级电路的负载电阻。
其计算过程和结果对电路分析和调试具有非常重要的作用。
【关键词】电荷灵敏前置放大器；开环增益；阴容反馈电荷灵敏前置放大器具有良好的低噪声性能，并且起输出信号幅度基本不受探测器极间电容、放大器开环时输入电容和电压增益等参数稳定性的影响。
目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器[1]。
目前电荷灵敏前置放大器有阻容反馈式电荷灵敏前置放大器、光反馈电荷灵敏前置放大器和漏反馈电荷灵敏前置放大器这样几种类型。
阻容反馈式电荷前放是目前谱仪最常用的前放[3-5]，它基本采用分立元器件来实现，电路非常复杂，画出等效电路计算其开环增益对电荷灵敏前放的总体电路分析和后期调试将具有十分重要的研究意义。
1 电荷灵敏前置放大器电路分析它等效成由泄放电阻R1、反馈电容C2和反向运算放大器组成的电荷灵敏前放。
整个反向开环运算放大器实际由共源级放大器T1、共基级放大器T2，共集电极放大器T3和T4组成。
这是一个多级放大电路，开环增益计算对整个电路分析和调试非常有帮助。
要计算开环增益，必须先画出电路交流等效电路。
2 电荷灵敏前放交流等效电路利用模电知识交流等效电路原则，T1等效成电压控制的电流源，T2 、T3 和T4等效成电流控制的电流源；T1是反向放大电路，T2 、T3 和T4是同向放大电路。
R6和C7组成的正反馈电路和电感L1-6未在开环增益计算中考虑。
其交流等效电路如图2所示。
3 开环增益计算过程4 结论与展望分立元件组成前放开环增益计算过程和结果对其电路原理分析和调试工作起到非常大的促进作用，对顺利完成本项目组的相关研究课题起到了关键作用。
【参考文献】[1]王经谨.核电子学[M].北京：原子能出版社，1985.[2]王芝英.核电子技术原理[M].北京：原子能出版社，1989.[3]C. Fiorini，T. Frizzi，A. Longoni. A CMOS charge preamplifier for silicon drift detectors with on-chip JFET and feedback capacitor[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2006，568（1）：322-328.[4]Evariste WEMBE TAFO，Hong SU，Yanni GAO，Ming WU. Design and simulation of charge sensitive preamplifier with CMOS FET implemented as feedback capacitor Cfp[J]. Nuclear Science and Techniques，2008，19（4）：241-245.[5]A.M. Barnett，J.E. Lees，D.J. Bassford，J.S. Ng. A varied shaping time noise analysis of Al0.8Ga0.2As and GaAs soft X-ray photodiodes coupled to a low-noise charge sensitive preamplifier[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2012，673，10-15.。
一种用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器设计的开题报告
一种用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大
器设计的开题报告
背景介绍：
MicroMegas探测器是一种高精度、高灵敏度的粒子探测器，广泛应用于高能物理实验等领域。
为了提高探测器的信噪比和精度，需要采用
一种高性能的电荷灵敏前置放大器来进行信号放大。
研究目的：
本文旨在设计一种适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，以提高信噪比和精度。
研究内容：
1. MicroMegas探测器信号特点分析；
2. 前置放大器电路方案设计；
3. 前置放大器性能测试及优化。
研究方法：
1. 分析MicroMegas探测器信号特点，确定前置放大器电路需求；
2. 根据需求，设计前置放大器电路方案；
3. 利用模拟仿真软件对电路进行仿真分析，优化设计；
4. 进行前置放大器的制作、测试和性能优化。
预期结果：
设计出适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，具有高信噪比、高精度、低功耗等优点，能够提高探测器的检测灵敏度和准确度。
研究意义：
本研究将为MicroMegas探测器的信号放大技术提供新的思路和方法，为相关研究领域的进一步发展提供技术支持。
同时，设计出的前置放大
器也可应用于其他领域的粒子探测器中，具有良好的应用前景。
电荷灵敏前置放大器A
探测器中的噪声
半导体探测器是反向偏置的PN结，其中存在着三种噪声源。 •并联电阻Rp的热噪声，Rp是耗尽层或补偿层的电阻 •串联电阻Rs的热噪声，Rs为探测器非灵敏区的材料体电阻 与引线电阻之和 •探测器漏电流ID的散粒噪声
iD CD Rp
Rs
vo(t)
对于面垒型探测器，Rp约为108-109Ω，在低温下工作的P-I-N 探测器， Rp可达1012Ω或更高。通常Rp比前置放大器或探测器 的偏置电阻大很多，因此， Rp及其热噪声可以忽略。 串联电阻Rs的影响虽然比Rp大，但是对性能良好的探测器来说 Rs也可忽略。
R1
iD(t) R C -高压
探测器和放大器 距离要足够短， 避免震荡
Z0 A
+
vo(t ) iD(t )R1
前置放大器的特点与选择（重点）
前放种类
电压灵敏 前放
特点
VoM=Q/Ci 电压幅度稳定 性较差 VoM=Q/Cf 电压幅度稳定 性较好 V(t)=Ri(t) 电压波形与探 测器电流相同
应用
慢计数系统、 能量分辨要求 较低的能谱测 量系统 能量分辨要求 较高的能谱测 量系统 快计数系统、 时间测量系统
注意事项
电荷灵敏 前放 电流灵敏 前放
系统的时间分辨本领除了与 所用探测器有关外，前放的 噪声也必须加以考虑。一般 情况下，前放上升时间选为 探测器上升时间的0.5-2倍之 间。
在实际应用中，选择前放要根据探测器的种类来 决定前放种类，同时注意前放上升时间应远小于 后面成形电路的成形时间。前放选定后，它和探 测器的连接要尽可能近，连接端要接触良好，电 缆要尽可能短。
输出电压的稳定性
当A0>>1时 则Ci 、A0分别变化时，有
电荷灵敏放大器
电荷灵敏前置放大器主要特点
1、噪声 2、变换增益 3、电压增益和输出电压稳定性 4、上升时间 5、输入阻抗
噪声 探测器探测器-前置放大器的噪声与系统的总电容 相关，就是与探测器的电容相关。 噪声的指标分两项给出：零电容噪声和噪 声斜率。 零电容噪声指的是前置放大器的固有噪声， 即不带探测器和电容的时候。 噪声斜率指的是前置放大器每增加1 噪声斜率指的是前置放大器每增加1微法的 电容噪声增加的量。
5、输入阻抗 在阻容式反馈放大器中，低频阻抗决定于反馈电阻 和电容。 Rf 低频阻抗为：
1 + A0
低频输入的电容是： C f (1 + A0 ) 又称为讯噪比，是信号的有用成份 与杂音的强弱对比，常用分贝数表示。设 备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。 信号幅度(或能量)与噪声幅度(或能量) 信号幅度(或能量)与噪声幅度(或能量)之比， 通常使用SNR、S/N表示，单位：分贝 dB。 通常使用SNR、S/N表示，单位：分贝 dB。
噪声的测量
1、根据噪声对信号幅谱的展宽测量噪声 原理：等幅度的输入待测装置的时候，其输 入的信号幅度谱的半高宽度相当于噪声的 线宽。 2、用示波器和宽频带电压测量噪声。 在无信号输入的时候测量系统的输出电压的 均方根值。即以电压为单位的噪声线宽。
谢谢大家！
前置放大器的分类
1、积分型放大器 特点：输出信号的幅度正比于输入电流对时 间的积分。有输出信号的幅度正比于探测 器输出的总电荷量。 2、电流型放大器 特点：即电流灵敏前置放大器，与探测器的 电流输出一致。电流信号快，但是容易受 到放大器频带的限制。
电荷灵敏前置放大器
课本P105（核电子学），可以知道在反馈电 课本P105（核电子学），可以知道在反馈电 容上和输入端的总电容电荷量和探测器所采 集到输出的总电荷量相等。由于增益A 集到输出的总电荷量相等。由于增益A足够大， 则电量主要集中在反馈电容上，有：
电荷灵敏前置放大器用户手册
电荷灵敏前置放大器用户手册中国·四川·成都2012年12月第1版目录1.概述 (1)2.指标性能规格说明 (1)2.1 指标 (1)2.2 输入 (2)2.3 输出 (2)2.4 功耗和机械 (2)3.安装 (2)4.操作指南 (2)5.电路描述 (2)6.联系方式 ................................................................................. 错误！未定义书签。
安全标识和说明为了防止人身伤害和损坏仪器，本手册包含3种安全标识需要告知。
使用本仪器之前，请仔细阅读用户手册确保您完全理解本仪器。
◆危险意味着如果没有遵从安全指示，可能导致死亡或严重的人身伤害◆警告意味着如果没有遵从安全指示，可能导致人身伤害◆谨慎意味着如果没有遵从安全指示，可能导致仪器损坏安全警告和清洁说明清洁说明清洁外壳指示：◆断开仪器电源。
◆用无绒织物除去仪器外壳上的灰尘。
◆用普通的洗涤剂和无绒织物出去外壳上的污渍。
不要使用有腐蚀性的洗涤剂。
◆在仪器通电之前，请确保仪器干燥。
电荷灵敏前置放大器1.概述电荷灵敏前置放大器是用于金硅面垒探测器、3He正比计数器、BF3正比计数器的前置放大器。
可与探测器、线性放大器、多道分析器一起组成脉冲幅度分析测量系统，如图1所示。
图 1 电荷灵敏前置放大器的应用2.指标性能规格说明2.1 指标上升时间< 200ns输出噪声≤140eV积分非线性≤±0.02%温度系数±0.01%/℃输入电容可调100～1000pF增益1~5倍可调2.2 输入低压电源前面板3芯航空插座，下面写有“低压“，接放大器直流电压输出，向前置放大器提供±6V低压电源。
高压电源前面板3kV高压插座，下面写有“高压“，接高压电源输入。
接探测器后面板BNC插座，下面写有““接探测器”，接到探测器。
CR-110电荷灵敏前置放大器
CR-110电荷灵敏前置放大器Cremat公司的CR-110是一个单通道电荷灵敏前置放大器模块，它被广泛用于多种辐射探测器。
例如：半导体探测器，雪崩光电二极管和各种气体探测器。
在Cremat公司的众多前置放大器模块中，CR-110的体积是挺小巧的（模块面积小于一平方英寸），这样就允许用模块化的设计制作一个紧凑型多通道探测系统。
本课题是以CR-110电荷灵敏前置放大器模块为核心，制作一个能够正常使用的电荷灵敏前置大器。
制作过程包括电路板设计，铝盒加工，线路连接和波形调试。
此课题虽然没有很大的难度。
但是整个过程非常偏重于实践，比如铝盒加工打孔，线路焊接等操作都很考验实验者的动手能力。
制作过程中，也能自然而然了解到电路板的设计，测试板各个连线的作用。
非常有助于我们了解电荷灵敏前置放大器的工作原理。
再结合以前学的课本上的知识，更能温故知新。
我们作核辐射测量时，一般采用电子学方法，应该对探测器输出的信号进行处理，包括对获取的信号进行放大，成形，甄别，变换分析，记录等等。
因探测器输出信号小，一般都要先通过放大器放大才能测量。
所以信号放大是核电子学信号处理一个必要部分。
实际测量中，探测器附近必然有一定辐射剂量。
工作人员测量时必须远离辐射现场。
我们一般把放大器分成前置放大器和主放大器，这样做是为了减少放大器输入端和探测器输出端之间的分布电容的影响，也可以弱化外界干扰，有效的提高信噪比，使信号用的高频电缆的阻抗相应匹配，。
前置放大器也称作为预放大器，体积小，靠近探测器，其输入端与探测器输出配合，有些前放甚至和探测器组成一个模块，我们称之为“探头”，输出的信号再经高频电缆和主放大器连接。
前置放大器参数很少在测量过程中变动，一般由主放大器作放大倍数和成型时间常数的调节。
第二章前置放大器2.1前置放大器的作用和特点前置放大器的作用和特点可以从下面几个方面说明：（1）提高系统信噪比核辐射探测器一般贴近辐射源.所以探测器往往在强辐射场，狭小空间，恶劣环境或工作人员不宜在现场，也不适合用大体积的仪器。
2021年测试技术与信号处理复习题(客观题)
（ × ） 10. 测量系统的固有频率越高，其灵敏度也越高。
（ × ） 11. 一般来说，测试系统的灵敏度越高，则其测试范围越窄。
（ √ ） 12. 同一测量系统，测量有效频带不同的 ___时肯定表现出不同的幅频特性。
（ × ） 13. 一阶系统的时间常数 τ 越小越好。
四．测量系统基本知识题 1. 试证明一阶线性测量系统的频率响应函数为 H ( jw) = 1/(1 + jwT ) 并推倒出它的幅频特性 和相频特性的表达式。参考答案： 一阶系统微分方程为两边拉氏变换得
t dy + y(t ) = x(t) dt tsY (s) + Y (s) = Z (s) (ts + 1)Y (s) = Z (s) H (s) = Y (s) = Z (s)
10. 测试装置所能检测输入 ___的最小变化的能力，称为（ D ）。A．精度； B．灵敏度；C．稳定性；D．分辨力。
11. 下列哪个参数可以反映测试系统的随机误差的大小?（ B ）。A．灵敏度； B．重复性；C．滞后量；D．线性度。
12. 仪器结构不完善所引起的误差属于（ A ）。A．引用误差； B．随机误差；C．过失误差；D．系统误差。
1 1 + ts 1 s2 + 2xw s + w2 n n 影响一阶系统的主要参数是时间常数τ。时间常数小说明系统的响应速度快，反之， 系统的响应速度慢。因此，一阶系统的时间常数应该尽可能小些。
影响二阶系统的主要参数是系统的阻尼比x 和固有频率wn 。阻尼比大响应速度慢，阻尼比小会产生振荡，趋于稳态值的速度也很慢。因此，通常阻尼比应在 0.6—0.8 之间。当阻尼率x 一定时，固有频率wn 越大，系统的工作频率越大。
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（二）特色： 1.研究领域：研究的是核事件检测仪器中尤为重要的 核心技术，其应用价值较高 2.研究过程：大胆猜想与实际试验相结合，在发现问 题的过程中解决问题，不断完善研究的课题
创新点、特色
1.含有辐射敏感元件的半导体 2.低噪音且高增益的运算放大器 3.应用于放大电路中的反馈电容技术
关键技术
1.可利用电子资源在中国知网等相关网站上易获得,电烙铁、示波器等 仪器使用方便；2.研究目标、内容、方法和方案明确，技术路线清晰合 理； 3.本项目的指导教师乔双教授是我院的教学骨干，近期正在主持 小型中子数字成像中的图像处理技术研究、8051仿真器开发、嵌入式 高速激励系统开发等项目。并在电荷灵敏前置放大器方面的研究时长长 达25年； 4.本组成员不仅具有一定的专业知识与协作能力，而且还有深入研究此 项目的热情与圆满完成此项目的决心。
作为未来科研行业从业者 的我们，也是任重而道远。 比赛评委 总结与展望
展望
谢
谢！
2012年11月
研究方案 研究方案
22
• 2012年12月——2013年1月：进行电路设计，
评估所需材料的性能及类型
• 2013年2月——2013年3月：着手电路实验，找
寻规律
• 2013年4月——2013年6月：进行创新性改良实
验，力求提高装置的稳定性及灵敏度
掌握前置放大器的工作原理
设计出电荷灵敏前置放大器
将其应用于核信号测量中
国外：在便携式核探测仪器中已大量使用，结果令人满 意。比如法国生产的DM-91/DMC-100个人计 量仪，测量60Kev-3Mev的x射线，在辐射方面 有着一定的研究成果。 国内外现状分析 国内外状况分析
PowerPoit 2003
选题依据
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期成果
研究方案 科研立项答辩
研究方案 研究方案
20
1.前期准备： （1）在中国知网上下载相关文章，并购买有 关电子线路的书籍； （2）研究电荷灵敏前置放大器的结构、原理 与性能； （3）购买与借用项目所需的电烙铁，示波器 ，万用电表等器件以及场地。 2.项目过程： （1）科研立项成员将在乔双教授的带领下做 实验，并在实验中纠错与反思； （2）制作、改良电荷灵敏前置放大器，并将 其应用于核测量中。
（六） 申请专利： 在得到最终研究结果的基础上，我组将对已制作好 的电荷灵敏前置放大器及其相关理论进行专利的申请。
预期目标
设计电路
了解原理
完成内容
电路仿真
阅读文献 比赛评委 总结与展望
反复实验
自我总结
科研国际化是其发展的必然 趋势，要想追上国际发展的 步伐，我们就必须大力发展 民族科技，学习国外的先进 技术。
研究方案 研究目标
24
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
创新点、关键技术 科研立项答辩
创新点，特色，关键技术部分
（一）创新点： 1. 通过对基础放大电路原理的研究来构思一个可行 的电路框架，使其能够达到设计出前置放大器的目的
2. 从更加基本的器件原理作为入手点，使其研究程 度更加深入，更加精细
样品
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介
研究方案
预期目标
预期目标
过程中：
（一）文献综述： 本小组将对相关文献进行解读，学习思想、体会要领、 创新方法，并将其记录。 （二）真实的数据记录： 在对电荷灵敏前置放大器有一定的设计思想后，用实 验去检验，并认真记录数据。
（三）研制成果： 设计出增益稳定、噪声低、性能良好的电荷灵敏前置 放大器，以便用于核信号探测。
电 物 荷 理 灵 学 敏 院 立 项 大 器 研 放 前 置 科 参 赛 作 品 计 的 设
指导老师介绍部分
指导老师简介
本小组的指导教师乔双教授是我院的教学骨干，在电荷灵敏前置放大器方面的研究 时长长达25年；
主要从事的科研项目有
科研立项答辩
小组成员介绍部分
小组成员介绍
周晓琳 黄婷婷
万方旭
预期目标
结束后：
（四）研究论文： 我组将基于对电荷灵敏前置放大器的发展现状、理 论研究、电路设计、实验检验、修正反思以及成果得出 这一较为完整的过程，通过论文的方式，将其整理、记 录并呈现出来。
（五）项目鉴定： 我们将本着负责的态度接受对我们这一科研成果是 否真实可信，有没有创新与发展，对社会的意义如何等 的鉴定。
研究方案部分
电荷灵敏前置放大器 的原理
电荷灵敏前置放大器 的理论改良与创新
电荷灵敏前置放大器 用于核信号测量
• 电路原理 • 器件性能 • 电路性能
• 仿真 • 制板 • 焊接
• 调试
研究方案 研究内容
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原理与 性能 仿真 制板与 焊接 核信号 测量
研究方案
研究内容
1.前期准备： （1）在中国知网上下载相关文章，并购买有 关电子线路的书籍； （2）研究电荷灵敏前置放大器的结构、原理 与性能； （3）购买与借用项目所需的电烙铁，示波器 ，万用电表等器件以及场地。 2.项目过程： （1）科研立项成员将在乔双教授的带领下做 实验，并在实验中纠错与反思； （2）制作、改良电荷灵敏前置放大器，并将 其应用于核测量中。 3.总结阶段： （1）检查已制作好的电荷灵敏前置放大器； （2）撰写实验报告，项目总结。
周冬
郑鑫
科研立项答辩
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
科研立项答辩 作品简介
作品简介部分
作品简介 电荷灵敏前置放大器
8
前期基础部分
前期基础 科研立项答辩
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课题背景 选题依据
选题依据部分
电荷灵敏前置放大器广泛应用于 微弱信号检测领域，尤其是在能 谱测量过程中，各种探测器输出 信号幅度通常比较小，幅度和形 状都不适应后面测量设备的要求， 并且为了降低噪声影响，提高信 噪比，对探测器输出的信号必须 由前置放大器对其进行预放，然 后再进一步放大和成形。电荷灵 敏前置放大器的质量直接决定了 整个核电子学系统乃至核仪器的 噪声水平和取样、计数性能，是 一个技术难点。因此，前置放大 器是核物理与核技术领域中非常 重要的环节，具有重要的学术价 值和应用价值。
选题依据 学术价值
我组将要研制的电荷灵敏前置放大器 是核探测器中电讯号放大的核心技术，核 探测器用于检测核事件，其普遍应用于各 种核技术中，包括核能的利用，同位素及 辐照技术的利用。 核检测和防护系统的技术对国防发展和 建设以及现时期对于核能的和平使用都具 有深远的意义。
选题依据 应用价值
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国内：散热方面有欠缺，有时要在液氮系 统冷却环境下方能正常工作。