第二章前置放大器

基
放大器的的作用和分类
本
电荷灵敏前置放大器
内 容
电压灵敏前置放大器
电流灵敏前置放大器
(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。
目的与要求
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 分电路具有信号放大功能，故称为前置放大器。
v0≈ve3≈ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2
A0=|VOM/ViM|=gmR’a2=gmRa2/(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
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积分型前置放大器
电压灵敏型前置放大器
•基本原理 V-V 电压放大器
探测器电流信号在放大之前已被自然 积分为电压信号。 •探测器电流 iD(t)
vi
(t)

1 Ci
tw
0 iD (t)dt Q
(脉冲形状和输入端总电阻无关)
其中 i RiCi (RD // RAi )(CD CS CAi )
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
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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。
列出电路方程
V0 s AVi s Vi sCiS Vi sV0 sC f S ID s 0
1.概述
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。
CD为探测器输出电容 CS为分布电容 Cai为放大器输入电容
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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：
I. 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 II. 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
§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

VOM Q

A O ViM Q

A•
t
0
w
i
D
(
t
)dt
QCif
A0 •
Q
Q •1 1
Q Ci (1 A0 )C f C f Q C f
能量变换增益
ACE
VOM E

VOM
HOME
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
Vom

Ci

A0Q (1 A0 )C f
Q A0 C 1 A0F
由A0变化引起，VVomom
1 1 A0F
A0 A0
?
由Ci变化引起，VVomom
1 1 A0F
Ci Ci
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) 。
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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
Q / e
VOM
Q
.e

QC f
Q
.e

e
C f .
2.输出稳定性
VOM

AO
• ViM

Ci
A0Q (1 A0 )C f
dvOM

VOM A0
dA0

VOM Ci
.dci
(u) v'u vu'
v
u2
dVOM (Ci C f )dA0
dCi
系。
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• 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。
（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。
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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.
G1
iD1 Vg1

g m1
G2
VC 2 iRa
Ra
（T1管的跨导）
• T3管的变换增益
G3=1
• 此放大器的开环增益为A0 G1G2G3 gm1Ra
• •
若Rgma

5mA V 500K
，则A0 = 2500 >>1
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二．电荷灵敏前放基本电路和实例分析 图2.2.5 1.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
AF

Xo Xi

Xo Xf Xd

Xf Xo
1

Xd Xo
1 F 1 Ao
Ao 1 AoF
当AoF>>1时，
1 AF F
AoF>>1 为深度负反馈
结论：当 AoF>>1 很大时，AF 只与反馈网络有关。即负反 馈可以稳定放大倍 数。
动态范围至少为：
V0 2.6V0 16Vom
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。
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交流耦合
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 V0 0
动态范围仅仅要求： 2.6 V0
V0
S



I
D
S

1 Cf
1 (S 1
)
f
v0
t

源自文库

Q Cf
1
e f ut
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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:
V0

n
0
v0
t
dt
2 V0
n
0
v02
t
dt
将v o(t )的表 达式 代入，得到
V0 n f
Q Cf
n f V0m
V0
n 2
f
V0m
与平均计数率有关，在n 1 的情况下， f
可以认为Vo(t) 的涨落服从高斯分布。
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实际输出电压的瞬时值，落在
V0


的概率为
V0
68
%
V0

2.6
的概率为
V0
99
%
若希望99%的信号都被放大，即要求放大器动态范围不小于 V0 2.6V0 (n f 2.6 n f / 2)Vom 当n 10kc/ s, f 1ms(109 1pF)时
VOM Ci (1 A0 )C f A0 Ci (1 A0 )C f
令 F= Cf /(Ci +Cf)≈Cf/Ci 若 A0>>1, A0 F>>1。 dVOM 1 dA0 1 dCi VOM A0F A0 A0F Ci
A0 F足够大时，稳定。
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。
vo (t) Avi (t)
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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+CAi – CD 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
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放大电路三种组态的比较
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：
4
2.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。
解方程得
V0s

S
C
A ACf
ID S
其中
C Ci C f 为冷电容
设iD t Q t ID S Q
V0 S
Cf
Q C
A
1 S
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作拉氏反变换
v0 t
Cf
Q C
A
ut
当A 1时，C A
Cf
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。
3
前置放大器的作用
• 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。
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。
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）
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，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。
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 • T2管的变换增益
输入信号
– Xf
反馈信号
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
（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Qδ(t)时上升时间（ 10%-90% VOM时间）, 101ns级
5. 动态范围和最高计数率
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f = Rf Cf 由于很大，泄放很慢，就会造成信号堆积。
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• 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)
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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
v0 t
Q Cf
ut
V0mut
V0m 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
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