实验三-电荷灵敏前置放大器

实验三电荷灵敏前置放大器

工物22 宁笑楠2012011709 同组：章艺林一．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

二．实验仪器（线路图）

以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象。

图1-1 电荷灵敏前置放大器

图1-2 前放线路图（供参考）

三．实验内容

1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A c 和衰减时间常数

1) 线路图

如图2-1所示：

图2-1 电荷灵敏前放变换增益A c 和衰减时间常数测试线路图

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？若pf 5.0C c

=和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？

答：将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的 Ac ；

对一定的i V 、o V ，受c C 的影响；

若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 应该分别选4V 、1V 。

② a.若V i 如下图，V o 该如何？

图2-2

b.若V i 如下图，V o 又该如何？

图2-3

50Ω

TTL

答：a 、b 两图主要差别是输出信号是否能在一个水平端完成衰减。所以，只要能让输出信号有足够的时间稳定下来就行 ③ 对

指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τ

t

M o e

V t V -

=)(。那么经过τ

=t 时间，M M

t

M o V e

V e

V 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即可。

④ 有的同学想用 2.2r t τ=，那么在我们实验中r t 应如何读取？此时对波形有什么要求？

答：tr 等于信号幅度从90%降到10%的一段，测量该段即可

3) 实验结果与分析

经过调节，选取V i =2.36V ，T =8.06ms ，t w =3.8ms ；测得前放输出V o =1.60V ，

利用M M

t

M o V e

V e

V t V 37.0)(≈=

=-

τ

测出衰减时间常数τ=1.04ms 。 若根据o o c i c i

V V A Q C V =

=，认为C C =1pF （理论值），则可计算得到增益系数A C =0.678，与理论值A C =1不符。为了探究其中的原因，我们进一步进行实验。首先检查各线路的连线、检查前放输入端的屏蔽（锡纸），发现没有问题；再检查信号发生器的输出信号参数设置，经检验已调节合理（信号幅值合适、完成比较完整的衰减过程等）；再检查示波器的参数设置，没有问题。这些都没有问题的话，根据公式A =C f C c

，可能是前放的元件参数与；理论值

的差异导致增益系数实测值与理论值的差异。

所以我们把问题的原因锁定在实验所使用的电荷灵敏前置放大器上。经过观察和比对，我们发现实验室里使用的电荷灵敏前置放大器虽然外形基本相同，但是并不是同一批次，应该有至少两个批次的产品（我们所检验的前放有03年产和07年产，外形相同但编码并不相同）。我们找来四个前放，其中两个是和我们之前使用的前放同一批次的产品，记为A1、A2；另外两个是另外一个批次、且经别组同学测试增益系数为1，记为B1、B2。我们首先把A1、A2分别代替现有前放接入我们的实验电路、其他实验条件不变，发现接入A1、A2时示波器的图像几乎没有任何可以观察出的变化，增益系数也没有变；而接入B1时，示波器图像发生明显变化，再次测量发现前放B1的增益系数约等于1，再换B2、接入结果相同。

至此，我们基本可以肯定，增益系数的不同，主要是由于前放的参数差异导致。理论上来说A =

C f C c

，但可能实际等效的C f 与C c 值之比不为1，这就导致实际测量得到的增益系数不

为1。

2．用示波器或高频毫伏表测前放的噪声和噪声斜率

1) 线路图

图3-1

其中主放是带滤波成形的谱仪放大器，电容调整器小盒可用开关改变总电容C 的大小，由示波器测得的噪声的峰峰值pp V ，则2

2pp no V V ≈

。若用高频毫伏表测得噪声有效值为no V 。但

由于缺少参数，无法进一步计算等效噪声电荷ENC 和等效噪声能量线宽FWHM 。

2) 理论思考

① 测试电容c C 的作用是什么？其值是否会影响前放c A 的大小？对c C 应有什么要求？

答：c C 的作用是将输入的电压信号转变为电流冲击信号，其值不影响前放的Ac ；如果取得太大，噪声会很大，如果取得比较小，信号的幅度就比较小、信噪比就不是很好，所以应根据这两点取一个合适的值

② 在原某一测量的前放等效噪声的基础上，改变其中的某一条件，请分别回答以下二个问

题：

第一个问题：在系统中测量出的输出端噪声no V 大小变否？ 第二个问题：等效到前放输入端的噪声大小ni V 变否？ 改变的条件：

★ 由4

RC CR -滤波形式变为RC CR -形式 答：1会2会

★ 时间常数由1d i s ττμ==变为4d i s ττμ==

答：1会2会

★改变主放大器的放大倍数由512变为256

答：1会2不会

★换前放输入端的探测器（可能会有C D变化，也可能有S i、G e材料的变化）

答：1会2会

3) 实验结果与分析

实验中，由于示波器直接测量“峰峰值”的功能是直接测量最大最小值之差，而噪声的随机性比较大，所以该功能不适于测量噪声的幅度，遂使用光标手动标定噪声幅度。测量结果如下表。