低噪声电荷灵敏前置放大器
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。
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◆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。
用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计
万方数据万方数据激光与红外Ｎｏ．１２０１１徐伟等用于ＡＰＤ激光探测的电荷灵敏前置放大器设计２９对转换后的电压信号进行放大。
与电流灵敏前置放大器不同的是，它无法保留输入电流信号的形状特征。
反馈电阻Ｒ，起释放电荷的作用，释放时间满足公式：ｆ＝Ｒ卢，。
尺，太小会增加噪声，太大无法按时释放电荷。
只要使得释放时间小于激光脉冲周期即可，一般取值几十到几百兆欧姆量级。
整个电荷前置放大器的增益可以表示为：Ａ＝ｇ。
尺ｄ・Ｇ（４）式中，ｇ。
是ＪＦＥＴ的跨导；Ｒｄ是漏极电阻；Ｇ是运放的开环增益。
图３电荷灵敏前置放大器放大器输出电压可以表示为：一¨ｉ。
＝罟（忐）（５）式中，ｃｉ包括ＡＰＤ结电容、放大器的输入电容和引线分布电容。
由于放大器的增益Ａ》１＋ｃ／ｃｓ，所以式（５）可以简化为：ｐ矽ｗｔ２玄（６）由式（６）可以看出，输出电压仅仅决定于ｃｚ与Ｑ的大小，只要ｃｆ值稳定，输出电压与输入的电荷信号成正比关系。
放大器输出电压不受ＡＰＤ结电容，运放输入电容、运放增益等参数的影响，稳定性更高。
激光脉冲持续时间极短，可以近似为冲激响应。
对于单个脉冲，ＡＰＤ在某一时间内产生的电荷量可以表示为：ｌＱ＝Ｉｉ，ｄ。
，０≤￡≤ｔ。
，０≤ｉ。
≤ｉｅ（７）ｂ式中，ｉ。
是激光脉冲在时刻ｔ时的电流值；ｔ。
是激光脉冲的持续时问；ｉ。
为激光脉冲的电流峰值。
由式（７）可以看出，电荷量的积累时间，即输出电压的上升时间与激光脉冲的持续时间相一致。
当ｔ＝ｔ。
时，Ｑ达到峰值，即输出电压ｐ。
达到峰值。
假设激光脉冲宽度ｔ。
为５０ｎｓ，反馈电容ｃｆ为１ｐＦ，对于大小为５ｎＡ的暗电流，被积分后对应的误差电压最大值仅为０．２５ｍＶ。
４实验测试实验中采用重复频率１０ｋＨｚ，脉宽３１．２５ｎｓ，波长９０５ｎｍ的激光束作为探测目标，硅传感器公司ＡＤ５００—９型号的ＡＰＤ作为探测元件。
整个实验在室温下进行，没有对ＡＰＤ进行低温处理。
图４是电荷前置放大器的输出脉冲波形。
输出信号电压峰值７０ｍＶ，衰减时间１４０Ｉｘｓ。
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。
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
【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。
电压灵敏前置放大器工作原理
电压灵敏前置放大器工作原理答：电压灵敏前置放大器是一种用于增强微弱电信号的电子设备。
它在许多应用中都扮演着关键的角色，如音频处理，雷达和声纳系统，电子显微镜，以及许多其他需要放大微弱电信号的场合。
下面，我们将详细讨论电压灵敏前置放大器的工作原理，主要包括输入阻抗、增益、带宽、噪声性能和线性度等方面。
1. 输入阻抗输入阻抗是指电压灵敏前置放大器对于输入信号的电阻抗。
理想情况下，该值应尽可能高，以减少对输入信号的衰减。
实际上，输入阻抗通常是由输入级电路的元件决定的，如场效应管或晶体管。
这些元件的选择和设计需要以达到最佳的信号保真度和最小的噪声为准则。
2. 增益增益是电压灵敏前置放大器的另一个重要特性。
它表示放大器输出的信号强度与输入信号强度的比值。
电压灵敏前置放大器的增益通常很高，可以达到20 dB或更高。
此外，增益通常与频率有关，这就是所谓的频率响应。
一些电压灵敏前置放大器在宽频率范围内具有稳定的增益，这对于许多应用来说是非常重要的。
3. 带宽带宽是衡量电压灵敏前置放大器处理信号速度的一个重要指标。
它通常定义为放大器能够处理的最高频率与最低频率之差。
在实际应用中，带宽通常受到多种因素的影响，如电源噪声、热噪声、以及非线性效应等。
为了在高速信号处理中获得最佳性能，电压灵敏前置放大器的带宽需要足够宽。
4. 噪声性能噪声是电压灵敏前置放大器的一个重要限制因素，尤其是在处理微弱信号时。
噪声可以是电阻热噪声、闪烁噪声、或者1/f噪声等。
为了提高信噪比（SNR），电压灵敏前置放大器的设计需要尽量降低内部噪声。
这通常是通过选择低噪声元件和优化电路设计来实现的。
5. 线性度线性度是指电压灵敏前置放大器对输入信号的放大或缩小与其输入成正比的能力。
在大多数应用中，线性度是一个关键参数，因为它可以防止信号失真和产生不希望的结果。
有多种方法可以提高电压灵敏前置放大器的线性度，包括使用适当的反馈网络、优化器件偏置以及采用差分对电路等。
低噪声前置放大器设计
低噪声前置放大器设计前置放大器是音频电路中非常重要的一环，它的作用是把微弱的信号放大到足够的水平，以便进一步处理。
但是，前置放大器的设计常常面临着两个矛盾的要求：一方面要有足够大的增益，另一方面却受到噪声的影响。
所以，低噪声前置放大器的设计就显得尤为重要。
一、前置放大器的作用在音频系统中，前置放大器一般用于放大信号源的信号。
常见的信号源包括唱头、话筒、电吉他、电视机、录音机等。
这些信号来源的信号一般都较弱，需要通过前置放大器进行放大，以便后续的处理电路对信号进行处理。
二、前置放大器的设计要求前置放大器的设计要求在于：高放大倍数、高输出阻抗、低噪声系数、线性度高等。
其中，低噪声是比较关键的一个因素。
低噪声是指前置放大器在工作时，所产生的噪声尽量小。
因为信号在传输的过程中，总会被外部环境的噪声所干扰。
这些干扰对信号有一定的影响，而前置放大器的噪声就会使这种影响更加显著。
三、低噪声前置放大器的设计方法设计低噪声前置放大器的方法有很多，这里介绍一种通用的方法：1、选择低噪声电源前置放大器的电路设计中应该考虑到电源的质量，因为电源的噪声直接会影响到整个电路的噪声。
选择低噪声电源可以降低电源本身的噪声，从而降低整个电路的噪声。
2、选择低噪声元器件在电路设计中，选择低噪声的电阻、电容等元器件是非常重要的。
这些元器件的噪声系数较低，可以减少电路中的噪声。
3、升频器件的选择升频器件是前置放大器中最重要的部分。
选择低噪声、高增益的升频器件可以提高整个前置放大器的性能。
一般情况下，可用场效应管或双极性晶体管作为升频器件。
4、建立好的接地系统在前置放大器的电路中，接地系统是非常重要的，因为不好的接地系统也会增加电路的噪声。
为了保证前置放大器的噪声系数低，应该建立好的接地系统。
四、结语低噪声前置放大器的设计涉及到很多方面的知识点，需要进行深入研究。
上文简单介绍了低噪声前置放大器的设计方法，但是在实际应用中，情况千差万别，需要根据实际情况进行调整。
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。
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.。
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噪声系数测量实验报告
电荷灵敏前置放⼤器噪声系数测量实验报告电荷灵敏前置放⼤器噪声系数测量实验报告班级：姓名：学号：⼀、实验⽬的1、研究电荷灵敏前置放⼤器不同功率谱的噪声成分及其特性；2、通过实验数据定量分析成形时间对等效噪声电荷（ENC）的影响，从⽽分离出各个噪声成分；3、加深对电荷灵敏前置放⼤器噪声ENC的理解，同时熟练掌握电荷灵敏前放的噪声测试⽅法以及主放和多道分析仪等常⽤核仪器的使⽤。
⼆、实验原理核辐射测量中，探测器输出的信号往往较⼩，需要加以放⼤再进⾏测量。
其中放⼤器⼜分为前置放⼤器与主放⼤器两部分。
前置放⼤器的主要作⽤有两点：1、提⾼系统性噪⽐；2、减⼩信号经电缆传送时外界⼲扰的影响。
探测器将粒⼦的信息转化成电流或电压信号后直接传⼊紧跟其后的前置放⼤器。
经前置放⼤器放⼤、成型后传输到线性放⼤器，经后续的电路处理得到粒⼦的电荷、能量、速度、时间等信息。
前置放⼤器紧跟探测器，⼀般直与和探测器做成⼀体，这样有利于提⾼信噪⽐，信号经前放放⼤，抗⼲扰能⼒增强，以⽅便较远距离的传输。
在能谱和时间测量系统中，前置放⼤器按输出信号所保留的信息特点，⼤致可以分为两类。
⼀类是积分型放⼤器，包括电压灵敏前置放⼤器和电荷灵敏前置放⼤器，它有输出信号幅度正⽐于输⼊电流对时间的积分，即输出信号的幅度和探测器输出的总电荷量成正⽐。
另⼀类是电流型放⼤器，亦即电流灵敏前置放⼤器，它的输出信号波形应与探测输出电流信号的波形保持⼀致。
前置放⼤器有多种，总的来说可以分为积分型放⼤器（包括电压灵敏前置放⼤器和电荷灵敏前置放⼤器）和电流型放⼤器（主要是电流灵敏前置放⼤器）。
电荷灵敏前置放⼤器原理图如下：图1 电荷灵敏前置放⼤器原理图由于前置放⼤器的噪声将经过主放⼤器的放⼤输出，所以其对最后信号的信噪⽐影响很⼤，本实验就是要测定前置放⼤器的噪声系数。
前置放⼤器的噪声主要包括沟道热噪声、输⼊端串联电阻噪声、晶体管沟道1/f噪声、探测器漏电流散粒噪声、反馈电阻噪声、前放输⼊晶体管漏电流散粒噪声等。
光电二极管电荷灵敏前置放大器设计
光电二极管电荷灵敏前置放大器设计.摘要本论文论述了将电荷灵敏放大器作为硅PIN光电二极管的前置放大电路，实现光电二极管的电荷信号转换为电压信号，并具备电压信号放大功能，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求，能够探测微弱光信号。
文中设计的电荷灵敏前置放大器采用低噪声场效应晶体管和电流型集成运算放大器构成，其等效输入噪声≤2．2keV。
该电荷灵敏前置放大电路结构简单、体积小、输出信号上升时间快、噪声低、稳定性好.关键词：硅PIN光电二极管.电荷灵敏放大器.微弱光信号检测。
Photoelectric diode sensitive chargepreamplifier designed.This paper discusses the sensitive charge amplifier as will the preamplifier circuit of photoelectric diode, photoelectric diode charge signals are converted to voltage signal, and voltage signal amplifier functions, in order to meet the low offset currents, low noise and high gain requirement, and can detect weak light signals. This paper designs the sensitive charge preamplifier with low noise field effect transistors and the current model integrated operational amplifier, the equivalent input noise than 2.2 keV. This sensitive charge preamplifier circuit is simple in structure, small volume, the output signal is rising fast time, low noise, good stability.Keywords: silicon photoelectric diode. PIN sensitive charge amplifier. Faint light signal detection。
低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状与发展
低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状与发展
彭进先;刘国福;杨俊;罗晓亮
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2012(032)001
【摘要】电荷灵敏前置放大器因其输出增益稳定、噪声低和性能良好在高分辨率能谱测量系统中得到了广泛应用.根据电荷灵敏前置放大器的基本原理及其噪声来源,分析了降低其噪声的关键技术,并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,未来前放将向极低噪声、极低功耗、高度集成、高灵敏度、宽带宽的ASIC芯片方向发展.
【总页数】6页(P1-6)
【作者】彭进先;刘国福;杨俊;罗晓亮
【作者单位】国防科学技术大学仪器科学与技术系,湖南长沙410073;国防科学技术大学仪器科学与技术系,湖南长沙410073;国防科学技术大学仪器科学与技术系,湖南长沙410073;国防科学技术大学仪器科学与技术系,湖南长沙410073
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.7+1
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分立元件低噪声、低失真前置放大器工作原理分析
分立元件低噪声、低失真前置放大器工作原理分析为音响设备研制的OP放大器有以低器声见长的NE5532A、LM833A等，但这些IC受到输入阻抗、高频特性、电源电压的制约。
而采用分立元件的晶体管电路则具有按使用要求进行设计的自由度。
由于输入级采用了低噪声的并联J-FET电路，所以用在信号源输出电阻高的电路中也能获得低噪声特性。
对于双极输入型的低噪声OP放大器来说，当信号电阻降低时，噪声系数也变小。
电路工作原理输入级是由TT7构成恒流偏置的FET送去放大电路，每组各3个FET并联，以求实现低噪声。
在J-FET电路中，噪声特性不会因偏流而发生很大变化，所以可以确定减少失真值。
漏极电阻RD（即R2、R3）与该级的电压增益（AV≈GM.RD）有关，当需要较大的开路增益时，可加大漏级电阻或增加有源负载电路。
在由TTB.D组成的差动放大电路中，二极管D1用于V的温度补偿。
因为整个电路的电压增益基本上由这个级电路决定，所以增加了把差动输出转换成单极的电流密勒电路。
输出级是推挽式射极输出器，靠二极管D2和D3产生基极偏压。
所以即便在低负载阻抗的条件下也具备驱动能力，并能减少波形失真。
元件的选择在多极放大电路中，初级的噪声特性决定了整个电路S/N的大小，因此要选用低噪声的元件。
TT1~TT0选用互导GM大的低噪声FET（2SK68A）。
FET外围电阻可选用金属电阻，而不要选用炭膜电阻或实心电阻。
C1对电路的低频特性决定作用，频率越低，要求容量越大。
如果可能，应选用钽电容。
在电压增益要求不高的情况下，R6可直接接地。
由于输出级是推挽电路，在负载电阻不大的条件下也可驱动，所以TT12、TT13应选择集电极额定功耗大的三极管。
发射极电阻R10及R11取负载电阻的1/10左右。
调整由于输入级的偏流决定下一级的直流工作点，所以必须调整FET恒流电路中的源极电阻R4，该电阻应取1千欧左右，如果嫌调整麻烦，也可以将其换成2千欧的半固定电阻。