前置放大器

内容提要 第二章 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
i
3、降噪措施 (1)输入级采用低噪器件 (1)输入级采用低噪器件 (2)运用低温 (2)运用低温 (3)减小冷电容 减小冷电容C (3)减小冷电容CΣ (4)反馈电阻 和探测器负载电阻R 反馈电阻R (4)反馈电阻Rc和探测器负载电阻RD. 四.电荷灵敏前放的改进（略） 电荷灵敏前放的改进（ 图2.2.10 图2.2.11 图2.2.12 图2.2.13
A CQ
VOM A O ViM ∫0 i D ( t )dt = = = A• Q Q QC if
A0 Q Q 1 1 = • ≈ • = Q C i + (1 + A0 )C f C f Q C f
tw
能量变换增益 QC f VOM VOM VOM e ACE = .e = .e = = = E Qω / e Qω Qω C f .ω
w
2.电荷灵敏前放(带有电容负反馈的电流积分器) 2.电荷灵敏前放(带有电容负反馈的电流积分器)图2.1.4 电荷灵敏前放 1 t VoM = Q/Cf = ∫0 i0 ( t )dt Cf Cf稳定 Cf稳定 VOM稳定
M
3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器) 3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器)图2.1.5 电流灵敏前放
令 F= Cf /(Ci +Cf)≈Cf/Ci 若 A0>>1, A0 F>>1。 F>>1。
dVOM 1 dA0 1 dC i = − VOM A0 F A0 A0 F C i
A0 F足够大时，稳定。 足够大时，稳定。
3．输出噪声（能量噪声半宽度） 输出噪声（能量噪声半宽度） 例：能量噪声半宽度 FWHM (Ge)=1KeV+0.03KeV/PF （无电容时等效噪声能量半宽度 噪声斜率） 噪声斜率） 输入冲击电流Qδ(t) Qδ(t)时上升时间 4．上升时间（tr）:输入冲击电流Qδ(t)时上升时间 上升时间（ 10%时间） ns级 （10%-90% VOM时间）, 101ns级 5．计数率效应： 堆积，输出动态范围，最高计数率问题。 计数率效应： 堆积，输出动态范围，最高计数率问题。 图2.2.2 图2.2.3 图2.2.4
2.输出稳定性 2.输出稳定性
VOM
A0Q = A O • ViM = C i + (1 + A0 )C f
∂VOM ∂VOM u v 'u − vu' dvOM = dA0 + .dci ( )′ = 2 ∂A0 ∂C i v u (C i + C f )dA0 dVOM dC i = − [Ci + (1 + A0 )C f ]A0 Ci + (1 + A0 )C f VOM
五.电荷灵敏前放噪声的实验测量 1.噪声对信号幅度谱的展宽测量噪声 噪声对信号幅度谱的展宽测量噪声图 1.噪声对信号幅度谱的展宽测量噪声图2.2.14
FWHMNE=(FWHMx)(E2-E1)/(x2-x1)
2.示波器、 2.示波器、宽频带电压表测噪声 示波器 Vn0 ：输出均方根值 FWHMNV=2.36Vn0 §2习题(P56 57)： 习题(P56—57) (P56 57)： 2.2 2.4 2.6
(1)并联电流噪声源(di (1)并联电流噪声源(di2） 并联电流噪声源 (2)串联电压噪声源(dv2) (2)串联电压噪声源(dv 串联电压噪声源 di2=(ωCΣ) 2 dv2的证明
图2.2.8
a噪声和 噪声和c噪声（频率的依赖关系） 噪声和b 2. a噪声和b噪声和c噪声（频率的依赖关系） 噪声—与 成正比的并联电流噪声； 噪声—无关 a噪声 与ω2成正比的并联电流噪声； b噪声 无关 噪声—与 成正比的输入并联电流噪声。 c噪声 与ω成正比的输入并联电流噪声。 输入总并联电流噪声： 输入总并联电流噪声： 2 2 2 2 2 d in = d ia2 + d ib2 + d ic2 = (ai ω + bi + ci ω )dω 输出总电压噪声： 输出总电压噪声： 2 2 2 =(a2+b2/ω2+c2/ω2) dω d vno = d v a + d vb + d vc
1,2用于能谱测量, 3用于时间测量 用于时间测量. 1,2用于能谱测量, 3用于时间测量. 用于能谱测量 §1习题（P56—57): 习题（P56 57): 2.1
§2. 电荷灵敏前放 输出增益稳定、噪声低、 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) 变换增益( 1.变换增益(电荷灵敏度)
§1. 概述 一.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 前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近， 出经高频电缆与主放大器相连。 出经高频电缆与主放大器相连。 1.提高系统的信噪比 提高系统的信噪比图 1.提高系统的信噪比图2.1.1 前放紧靠探测器，传输线短，分布电容C 减小, （前放紧靠探测器，传输线短，分布电容Cs减小,提高 了信噪比） 了信噪比） 2.减少外界干扰的相对影响图2.1.2 2.减少外界干扰的相对影响图 减少外界干扰的相对影响 信号经前放初步放大.) (信号经前放初步放大.) 3.合理布局 合理布局, 3.合理布局,便于调节与使用 前放为非调节式,主放放大调节倍数、成形常数) (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 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) 前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗)
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） 电路分析（ T1； T2； T3、 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； 偏压及滤波；测试；反馈 正反馈R 改变输出脉冲上升时间； 退耦LC RC。 LC、 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 开环增益A (1)开环增益A0 v0≈ve3≈ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2 /(1- )≈3000倍 A0=|VOM/ViM|=gmR’a2=gmRa2/(1-A3)≈3000倍 (2)上升时间 (2)上升时间 tr0=2.2Ra2Ca2/(1+A0F)≈2.2Ca(Ci +Cf)/( gmCf)≈22ns 图2.2.6