电荷灵敏前置放大器的特点
核电子技术原理 (王芝英 着) 原子能出版社 部分课后答案
（1）求 Vo(t)的一般表达式 （2）当 Cf=1pF, Rf=109Ω时，画出大致波形并与 Rf→∞时作比较。
（1）
⎛
⎞
⎛
∵VO ( s) = −Q ⎜⎜⎝ Rf
1 //
sC f
⎞Q ⎟⎟⎠ = − C f
⎜ ⎜
1
⎜ ⎜ ⎝
s
+
1 Rf C
f
⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠
( ) ∴VO
t
=
Q
−t
e RfCf
核电子学习题解答
第一章 第三章 第五章
第二章 第四章 第六章
第一章
1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信 号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非 等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。
1.4 当探测器输出等效电流源 io (t) = I0 ie−t /τ 时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论 R0C0<<τ的情况。
3.7 试说明核信号通过图示的滤波成型电路后得到什么，失去什么， 画出图形。
得到能量信息，失去了时间信息。 极零相消，两次无源积分，加两次有源积分。
3.8 说明弹道亏损的原因。
输入电流的脉冲宽度有限时，在信号的宽度内，电容 C 被充电，且通过 R 放电， 故产生弹道亏损。
3.9 什么是信号的峰堆积和尾堆积？对输出信号的幅度产生什么影 响？引起什么样的谱形畸变？
第三章
3.1 试论述放大器在核物理实验中的作用，对各个性能指标应如何协 调考虑？
放大器在核物理实验中主要有放大和成形作用。，且必须保持探测器输出的有用 信息。 对各个性能指标应从能量测量和时间测量分别考虑。
第二章前置放大器
反馈框图：
实际被放大信号
输入
叠加
±
反馈信 号
放大器 反馈网络
开环 输出
闭环
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
负反馈的作用：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。
HOME
负反馈框图： 差值信号
Xi +
Xd
5
• 3.合理布局，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)
6
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)
vi
(t)
1 Ci
t
0 iD (t)dt
输入信号
– Xf
反信号
基本放大 电路Ao
反馈回路F
Xo
输出信号
开环放大倍数
Ao
Xo Xd
差值信号 Xd Xi Xf
闭环放大倍数
AF
Xo Xi
反馈系数
F
Xf Xo
HOME
Xi +
Xd
– Xf
基本放大 电路Ao
反馈回路F
负反馈放大器的一般关系：
Xo
反馈深度
系。
12
• 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108—109Ω，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。
前置放大器
§1. 概述 一.前置放大器的作用 前放的分类(按与配的探测器分类略) 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 电荷灵敏前放的改进（ 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 电压(灵敏) §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） 电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）
三．电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 前放串联噪声和并联噪声( 2.7) 1．前放串联噪声和并联噪声(图2．2.7) 噪声源：探测器漏电流I 噪声、电阻R 热噪声、 噪声源：探测器漏电流ID噪声、电阻RD热噪声、场效 应管栅极电流I 噪声、场效应管沟道热噪声、 应管栅极电流Ig噪声、场效应管沟道热噪声、场效应管闪 烁噪声、反馈电阻热噪声。 烁噪声、反馈电阻热噪声。
二.前放的分类(按与配的探测器分类略) 前放的分类(按与配的探测器分类略) 按探测器输出信号成形方式的特点分类: 按探测器输出信号成形方式的特点分类: 1.电压灵敏前放 电压放大器) 电压灵敏前放( 1.电压灵敏前放(电压放大器)图2.1.3 Ci=CD+CS+CA 1 t VoM∝ViM∝Q ViM = ∫0 i D ( t )dt ∝ Q Ci
电压(灵敏) §3. 电压(灵敏)前置放大器 一般电路的形式 图2.3.1
A=v0/vi=(R2+R1)/R1
采用FET作输入极的电压灵敏前放图 采用FET作输入极的电压灵敏前放图2.3.2 FET作输入极的电压灵敏前放
电压前放的一个实例图2.3.3 电压前放的一个实例图
电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器） §4. 电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器） 电荷/电压灵敏前置放大器图 电荷/电压灵敏前置放大器图2.4.1 低噪声电流的前置放大器 图2.4.2 AI=I0/Ii= Rf/RL Rf较小 特点： 特点： 1)快响应 可获得时间信息。 快响应， （1)快响应，可获得时间信息。 (2)可远距离传输 可远距离传输。 (2)可远距离传输。 (3)输出脉冲上升时间和宽度窄 适合高计数率测量。 输出脉冲上升时间和宽度窄， (3)输出脉冲上升时间和宽度窄，适合高计数率测量。 用于能谱测量 57) 第二章习题与思考题(P56—57)： §1: 2.1 §2: 2.2 2.4 2.6 §3: §4: 2.7
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。
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
核电子技术原理 (王芝英 着) 原子能出版社 部分课后答案
= τ I0R 0 τ − R 0C0
⎛ −t ⎜⎜ e τ ⎝
t −
e − R0C0
⎞ ⎟⎟⎠
当 R0 c0<<τ时，τ－R0 c0≈τ
∴V0 (t) =
⎛
t −
I0 R0 ⎜⎜ e τ
t −
e − R0C0
⎞ ⎟⎟
⎝
⎠
1.5
如图，设
i (t )
=
⎧θ ⎨⎩0
/
T
0 ≤ t ≤ T ，求输出电压 V(t)。
第一章
1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信 号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非 等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。
1.4 当探测器输出等效电流源 io (t) = I0 ie−t /τ 时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论 R0C0<<τ的情况。
3.7 试说明核信号通过图示的滤波成型电路后得到什么，失去什么， 画出图形。
得到能量信息，失去了时间信息。 极零相消，两次无源积分，加两次有源积分。
3.8 说明弹道亏损的原因。
输入电流的脉冲宽度有限时，在信号的宽度内，电容 C 被充电，且通过 R 放电， 故产生弹道亏损。
3.9 什么是信号的峰堆积和尾堆积？对输出信号的幅度产生什么影 响？引起什么样的谱形畸变？
diD2 = 2I D ⋅ e ⋅ df = 5.66 ×10−11 A
diD2 = 5.66 ×10−3 ID
1.8 试计算常温下（设 T=300K）5MΩ电阻上相应的均方根噪声电压 值（同样设频宽为 1MHz），并与 1MHz 能量在 20pF 电容上的输出幅 值作比较。
chp1习题一
《核电子学方法》作业题
第一章
1．简述核电子学的主要特点。
2．简述电荷灵敏，电压灵敏，电流灵敏三种前置放大器各自特点及主要应用场合？
3．电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点，为什么加入反馈电容可以提高放大器
的性能？
4．对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流 ))()((t Q t i δ=时，求)(t v o 的一般表
达式？当Ω==910,1f f R pF C ，Q ＝14104.4-⨯C 时，画出大致波形并与∞→f R 时作比较。
（假设A 为理想运算放大器）
5．用傅立叶变换的方法说明，为什么a 是低通的、b 是高通的。
6．用拉普拉斯变换方法求出下面电路的冲激相应。
7．对第4题中的电路（条件不变），试由坎贝尔定理计算放大器的动态范围。
（平均计数虑为10K/S ）。
核电子学-前置放大器2.
ACQ
VOM Q
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
在电荷灵敏前置放大器中，反馈电容Cf跨接于放大器的 反相输入端和输出端之间，放大器采用高增益宽带运算 放大器，输出阻抗很小，开环增益Ao很大。
把反馈电容等效到输入端，由于密勒效应，总的输 入电容为：
Cif Ci (1 A0 )C f
一、概述
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，可有不同的前置放大器，如 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。
则
ViM
tw
0
iD dt
Cif
Q Ci (1 A0 )C f
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简 化为： V Q iM A0C f 则输出信号为：
VoM
A0Q Q Ci (1 A0 )C f C f
1.1 前置放大器的作用 1.2 前置放大器的分类
二、电荷灵敏前置放大器
2.1 电荷灵敏前置放大器的主要特性 2.2 电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析
一、概述
1.1前置放大器的作用
采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信 号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情 况下，都首先要通过放大器放大后再进行分析。
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。
第二章前置放大器.
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）
13
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)
ACQ
iD ( t )dt VOM AO ViM 0 A Q Q QCif
A0 Q Q 1 1 Q C i (1 A0 )C f C f Q C f
11
作拉氏反变换 Q v0 t u t C Cf A C 当A 1时， C f A Q v0 t u t Cf V0 mu t V0 m Q C f
另外，从放大器的输入端看：由于密勒 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
vi (t )
Ci
i
0
D
(t )dt7前置放大器的源自类•I.
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
II.
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
低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状与发展
前置放 大器广泛应用 于微弱信号检测 领 域， 根据 多级级联放大器总的噪声系数的弗里 斯公式可得 ： 级联放大器中各级噪声系数对总
１ １５ ５ ） １ ７ ２４ 。
以忽略 ， 输出电压幅值 有很好 的稳定性 ， 因
此这种前放常用于高分辨率能谱测量系统。为
了释放 Ｃ上不 断 积 累的 电荷 量 ， ， 并稳 定 反 馈 的
作者简 介 ： 彭进先 （９ ８一） 男 ， １８ ， 新疆 塔城人 ， 士研 硕
究生 ， 从事核 电子学研究 。
电荷 灵 敏前 放 具 有 良好 的 低 噪 声性 能 ， 并
且其输 出信号幅度基本上不受探测器极 间电容
、
放大器开环时输入电容 ｃ 和电压增益等参
提高信 噪比， 实现阻抗转换和匹配。
目前 用在 核探 测器 和测 量 系统 中 的前放 主 要 分 为 电荷灵 敏 、 电压灵 敏 和 电流灵 敏 三大 类 ，
结合 国内外研究 现状 阐述 了这些技术 的实际应用 。指 出 了为 满足人 们对 未知世界 的探 索 ， 来前放 将 未 向极低 噪声 、 极低功耗 、 高度集成 、 高灵敏度 、 宽带 宽的 Ａ Ｉ 片方向发展 。 ＳＣ芯 关键 词 ： 前置放大器 ； 电荷灵敏 ； 噪声 ； 键技术 ； ＳＣ 关 Ａ Ｉ
第３ ２卷
２１ ０ ２年
第 １ 期
１ 月
核 电子 学 与探测 技 术
Ｎｕ ｌａ ｅ ｔｏ ｉｓ＆ Ｄｅ ｅ ｔ ｎ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｃ ｅ ｒＥｌ ｃｒ ｎ ｃ ｔｃ ｉ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ
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。
电荷灵敏放大器课件
电荷灵敏放大器的增益是指输出信号与输入信号的比值。增益越大，对输入信号 的放大效果越好。
噪声与失真
噪声
电荷灵敏放大器的噪声是指输出信号中的随机波动，主要由 内部电路的热噪声和外部环境的干扰引起。噪声越低，电荷 灵敏放大器的性能越好。
失真
电荷灵敏放大器的失真是指输出信号与输入信号在波形上的 差异。失真越小，电荷灵敏放大器的性能越好。
电图等生理信号的检测。
2023
PART 02
电荷灵敏放大器的电路分 析
REPORTING
电路组成与元件
电路组成
电荷灵敏放大器主要由输入级、反馈级和输出级三部分组成。输入级通常采用差分放大 器结构，用于放大微弱电荷信号；反馈级通常采用运算放大器跟随器或射极跟随器，用于提高输出阻抗和减小输
应用领域
弱信号检测
电荷灵敏放大器在弱信号检测 领域中应用广泛，如电子显微 镜、光谱分析仪、辐射探测器
等。
电子测量
在电子测量领域中，电荷灵敏 放大器常用于测量电容、电感 、阻抗等参数。
通信与雷达
在通信和雷达领域中，电荷灵 敏放大器可用于接收微弱的信 号并进行处理。
生物医学工程
在生物医学工程领域中，电荷 灵敏放大器可用于心电图、脑
响应时间与带宽
响应时间
电荷灵敏放大器的响应时间是指输出 信号跟随输入信号变化的时间。响应 时间越短，电荷灵敏放大器的性能越 好。
带宽
电荷灵敏放大器的带宽是指其可以处 理的信号频率范围。带宽越宽，电荷 灵敏放大器可以处理的信号频率越高 。
2023
PART 04
电荷灵敏放大器的实际应 用
REPORTING
2023
电荷灵敏放大器课件
REPORTING
新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计
第40卷第2期 2020年3月核电子学与探测技术Nuclear Electronics Detection TechnologyVol. 40 No. 2Mar. 2020新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计熊思，高超嵩％黄光明，孙向明(华中师范大学物理科学与技术学院夸克与轻子物理教育部重点实验室，武汉430079)摘要：为满足T o p m etal-S芯片研制需求，设计了一种低噪声电荷灵敏前置放大器。
该电荷灵敏前置放大器在0. 35 p m商业标准工艺上完成设计,采用单端折叠共源共栅结构，其等效输人电荷噪声约为56.47 e_，电荷转换增益为223.40 m V/fC，上升时间为633.30 n s;开环增益为74.94 dB,线性度在3. 70%以内的输入电荷范围为0~6. 50 fC。
关键词：电荷灵敏前置放大器；低噪声；T opm etal-S;等效电荷噪声中图分类号：T L821 文献标志码：A文章编号：0258 — 0934(2020)2 — 0353 — 06寻找无中微子双卩衰变是近年来核物理与 粒子物理领域的研究热点之一，通过能谱测量 和径迹重建，能够提高对本底事件的抑制能力，进而提高对无中微子双P衰变确认的准确度。
以高压气体为媒介的时间投影室（TPC)配合低 噪声的电荷读出方法是最有潜力同时实现能谱 测量和径迹重建的探测器[1]。
传统的高压气体 T P C采用电致发光技术，能够获得优越的能量分辨率，但在电荷径迹和探测器规模扩展方面存在局限性，替代方案是微网格气体探测器，但 其涉及气体雪崩增益会严重降低探测器的能量 分辨率，因此，理想的方案是无气体雪崩放大的 像素电荷读出方法。
华中师范大学硅像素实验 *收稿日期：2019—12—17基金项目：国家自然科学基金青年项目（11805080)、国 家重点研发计划项目（2016Y FE0100900)资助。
作者简介：熊思（1996—），女，江西九江人，在读硕士生，攻读方向为模拟1C设计研究。
电荷灵敏前置放大器的特点
由带有电阻负反馈的快放大器组成。
R1
tW iD(t)
-
+A
Ci
vo(t)=R1 iD(t)
要求： 电路中的运算放大器为快放大器，频带足够宽，过渡 过程足够快。这样有利于保持快的时间信号。 为了避免信号传输中电缆不匹配造成的信号反射，要求在 其连接处阻抗要匹配。在实际电路中通常为50。
iD(t)
vo(t)
t
阻容反馈电荷灵敏前置放大器
Rf
tW
-
Cf
vo(t)
A
+
iD(t)
Ci
vo(t)
VoM= Q/Cf
由于反馈电阻的存在，所以电荷 灵敏前置放大器的输出包括一个
时间常数为RfCf的衰减部分。
衰减时间常数：通常为50s（与主放中极零相消电路时间 常数的可调范围相配合）。
上升时间：由探测器电荷收集时间和放大器的上升时间等 决定，不大于200ns。
前置放大器的分类
电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器
积分型前置放大器
电压灵敏前置放大器
tW
iD(Байду номын сангаас)
Vi(t)
= ViM Q
Ci
电压
放大器
CD
CA +
CS
Vo(t)
VOM= AViM Q
探测器
电压灵敏前置放大器
放大器输入端总电容：Ci=CD+CA+CS 放大器输入端总电阻：Ri=RL+RA+R
– 探测器的反向电流：1/f、散粒噪声（工艺措施、低温） – 前置放大器的第一级放大器—场效应管：热噪声（低温）
这就是核辐射探测器经常使用LN2制冷或半导体制冷的原因， 必要时把前置放大器的第一级放大电路也放在低温下。
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。
电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计_肖海军
第43卷第2期激光与红外Vol．43，No．2 2013年2月LASER＆INFRARED February，2013文章编号：1001-5078（2013）02-0190-05·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400030）摘要：在高灵敏度光电探测领域，常常采用雪崩二极管（APD）等高增益探测器，这些探测器通常需要上百伏的工作电压，因此电源噪声对探测器的性能影响很大。
针对单光子探测的需要，论文提出了一种电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计，通过采用匹配的差分输入，可以有效抵消电源的共模噪声。
论文首先对APD探测器在不同偏压下的结电容进行测试，然后采用可调电容对APD电容进行匹配，用MultiSim对提出的电路进行了仿真分析，最后制作实验电路进行了测试和验证。
结果表明：差分输入电荷灵敏前置放大器能够有效消除电源噪声（包括低频噪声和高频噪声），实现高灵敏度的光探测。
关键词：电荷灵敏前置放大器；APD；差分放大；Multisim仿真；电源噪声中图分类号：TN29文献标识码：A DOI：10．3969/j．issn．1001-5078．2013．02．016Power supply denoising design for charge-sensitive preamplifierXIAO Hai-jun，ZHANG Liu-qiang，XIAO Sha-li，LI Xian-cang，HUANG Zhen-hua （Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems attached to Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400030，China）Abstract：High gain photon detectors such as avalanche photo diode（APD）are widely used for high-sensitivity photondetection．However，the high voltage applied to these detectors often makes serious noise．In order to perform high-sen-sitive photon detection，an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed，which can reducethe power-supply noise by differential amplification．Firstly，the junction capacitance of APD is tested under variousbias voltages．Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed withMultisim software．Finally the fabricated circuit is tested．It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differ-ential input can significantly reduce the power-supply noise（both low frequency and high frequency）and realize highsensitivity．Key words：sensitive charge preamplifier；APD；differential amplification；Multisim simulation；power-supply noise1引言高灵敏度光探测器在成像、光谱和光通讯领域有着广泛的应用，随着应用需求的发展，高速和高灵敏度光探测器越来也受到业界的重视，其最新发展就是以单光子探测为标志的新型光探测技术。
低噪声CMOS电荷灵敏前置放大器
(D epartm en t of Eng ineer ing Physics, Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina)
Abstract: A low 2no ise CM O S charge sen sitive p ream p lifier w as bu ilt u sing a 0. 6 Λm CM O S p rocess to ach ieve the readou t den sity requ irem en t fo r rad iation detecto rs. T he p ream p lifier co sts w ere 260 Λm × 210 Λm in area and 15. 9mW in pow er con sum p tion. T he den sity w as increased by a facto r of at least 3 o rders of m agn itude com p ared to t raditional charge sen sit ive p ream p lifiers. M easu red resu lts show that the equ ivalen t no ise charge is 1 377. 1 e of zero2cap acitance no ise and 43. 7 e pF of cap acitance rat io w ith a shap ing t im e of 1 Λs. T h is no ise level is in ag reem en t w ith theo ret ical analysis bu t need s to be im p roved fu rther. T he 1 f no ise coefficien t of the NM O S device in the p rocess w as also calcu lated.
前置放大器工作原理
电荷灵敏前置放大器典型电路
一．工作原理：
半导体探测器D经过负载电阻由高压电源供电。
Ｃ为隔直流电容。
R f用来释放C f上积累的信号电荷，并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。
Ra表示T2管的等效动态负载电阻(主要决定于虚线框内恒流源的内阻和T2管集电极输出电阻)
二．电路的特点
(1)T1管的等效负载小，所以第一级的电压放大倍数、输入电容小，开环输入端总电容也就较小。
因此，电路容易满足所要求的条件。
（共基放大器输入电阻小，频率特性好）。
(2)上升时间小，反馈深度大，稳定性好。
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Vn 2
lim
T
1 T
T
Vn2 (t)dt
0
信噪比
能量E 辐射源
探测器
输入信号电压Vi
放大器
等效噪声电压 （放大倍数A）
Vo
(ENV)
Vno
信噪比—噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪
声均方根值的相对值来表示：
V Vo Vi
Vn Vno (ENV )
核电子学中的噪声
在核电子学中遇到的噪声主要有三类：
噪 涨落，通常
热运动剧烈，噪声电流
声 是在载流子
或电压增加；
大量存在的 2 与外加电压或流过电阻的
情况下发生
平均电流无关。
的。
3 平均脉宽取决于载流子每
秒碰撞次数的倒数，为
皮秒级
相同点
在时间域里，都可以 表示为随机的脉冲序 列，通常近似为随机 的冲击序列。
它们具有共同的统计 特征：都是平稳随机 过程，频谱近似为常 数（白噪声）。
– 探测器的反向电流：1/f、散粒噪声（工艺措施、低温） – 前置放大器的第一级放大器—场效应管：热噪声（低温）
这就是核辐射探测器经常使用LN2制冷或半导体制冷的原因， 必要时把前置放大器的第一级放大电路也放在低温下。
核电子学中信号的放大
信号屏蔽电缆线
辐 射 源
核探 测器
前置放大器
主放大 器
（弱信号用双 芯屏蔽电缆）
散粒 噪声
ID是探测器的反向漏电流。温度升高，ID增加，噪声也随之增大。 因此，低温运用可以降低探测器的噪声。
第一级放大器的噪声
第一级放大器：噪声性能优越的结型场效应管（JFET： Junction Field Effect Transistor）
通过扩散或其它工艺，在一块N型(或P型)半导体材料的两边各做一个高杂质浓 度的P型区(或N型区)，把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅 极(G)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极(S)和漏极(D) 。子摘中称自间为《N的模沟N拟区道电((或或子PP技区沟术)道是基)电结础流型》的场（通效第道应三，管版称。）为，导华电成沟英道主(简编称，沟高道等)教。育这出种版结社构，的2管001
与引线电阻之和
•探测器漏电流ID的散粒噪声
iD
CD
Rs Rp
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。
核电子学中噪声的来源
核辐射测量仪器中很多器件如探测器、晶体管和电阻 等都会产生噪声。它们对于信号噪声比或测量精确度 的影响是不同的，其中探测器和前置放大器第一级器件 产生的噪声，得到的放大倍数最大，影响也就最严重。
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
散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f 噪声）。
在电子器件中，载流子产生和消失的随机性， 使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些， 有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。
热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。
低频噪声即1/f 噪声，又名闪变噪声或过量噪声， 其噪声电压随频率的降低而增大。
散粒噪声和热噪声的比较
只要电路上和工艺上采取适当措施，外部干扰通常可以减小到次要程度
噪声的特点及表示方法
• 噪声是由所采用的元器件本身产生的，原则上可以设法减 小但无法完全消除。
• 噪声属于随机过程，它随时间的变化是杂乱无章的，但它 服从一定的统计规律。
– 噪声电压的时间平均值等于零。 – 只要有噪声存在，其平均功率就不为零。
放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（ 由脉冲放大器完成）。
噪声和干扰
在信号的产生、传输和测量过程中，噪声会迭加于有用信号上， 从而降低测量精确度。
噪声：由电子器件本身产生的 干扰：来自外部因素 交流电网的工频（我国为50赫）干扰； 电视和无线电广播干扰； 大功率设备的电磁场干扰； 直流电源的纹波干扰； 仪器（或插件）之间及仪器内接地不良而产生的干扰。
探测器中的漏电流噪声
半导体探测器的漏电流主要由三部分组成：
•结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成
的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。
但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。
•P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流 •结区内因热激发产生的电子—空穴对所造成的反向电流
共源接法
多数载流子在沟道中的热运动产生的热噪声是场效应管的主要噪声源。
场效应管工作在低温下，噪声降低，有利于提高信噪比。
核电子学中噪声小结
• 噪声与干扰
– 噪声：电子器件内部产生 – 干扰：来自于外部
• 散粒噪声与热噪声
– 散粒噪声：载流子数目涨落 – 热噪声：载流子热运动
• 核电子学噪声的主要来源
前置放大器
核辐射探测器输出信号幅度
用半导体探测器对能量E0为1MeV的射线进行测量， 分析输出电压信号幅度的量级（设探测器的结电容 C0为10pF）。
V ne E0e 4.8mV C0 wC0
核电子学中信号的放大前置放大器
主放大 器
（弱信号用双 芯屏蔽电缆）
来源
不同点
由载流子产 散 生和消失的
di2 2I edf
粒 随机性引起 1 平均电流大，载流子数目
噪 的 ，它体现 涨落大，噪声电流大。
声 了载流子数 2 脉冲宽度等于载流子的渡
目的涨落。
越时间为纳秒级；
由载流子热 运动引起的
di2 4kT / R df
热 电流或电压 1 和温度有关，温度升高，
前置放大器的分类
电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器
积分型前置放大器
放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（ 由脉冲放大器完成）。
前置放大器的作用
1. 提高系统的信噪比； 2. 减小信号经由电缆传送时外界干扰的影响； 3. 主放大器通过长电缆与探头相连，主放大器本身和操作
人员可以摆脱现场条件的限制； 4. 实现阻抗转换和匹配。
拓展内容： 为什么电荷前置放大器的噪声与输入端的“冷电容”有关？