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 i
V V
A 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 V
② 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：
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可以完成该测量。

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：r t 应该选取从信号幅度90%降到10%的一段。

需要注意的是，本次实验中，在测量这个参数的时候，应该把输入信号的前端t s 调的小一点，让信号完全降到0位置，然后再通过示波器去测量，这样结果更加准确。

2．用示波器或高频毫伏表测前放的噪声和噪声斜率
（1）理论准备：
因前放等效噪声是成形电路的函数，因此测前放的噪声应在由前放和主放滤波成形组成的系统中进行测量，系统中主放的噪声常常可以忽略，这时测量的噪声则近似为前放的噪声。

① 复习《核电子学讲义》有关等效噪声电荷ENC 和等效噪声线宽FWHM 概念。

（粗看）
② 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？ 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 ，C c 如果取得太大，噪声会很大，C c 如果取得比较小，信号的幅度就比较小，信噪比就不是很好，所以应该存在一个合适的值满足要求。

③ 为加深理解“前放等效噪声是成形电路的函数”及其他相关概念，请思考下列问题： 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 【会变】 【会变】 ★ 时间常数由1d i s ττμ==变为4d i s ττμ== 【会变】 【会变】
★ 改变主放大器的放大倍数由512变为256 【会变】 【不会变】 ★ 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）【会变】 【会变】 （2）测量线路：（如下图）
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 ，则由
no V 可计算出等效噪声电荷ENC 和等效噪声能量线宽FWHM 。

【实验步骤及实验数据记录和处理】 一、 测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。

1. 连接线路，正确选择输入信号参数和仪器各旋扭位置。

（建议取V V i 2=，
ms t W 5.1=，ms T 6=左右）
2. 将Vi 信号输入到前放“检验”端，用示波器测Vi 、Vo 、衰减时间常数 ，用测得的数据
计算Ac 大小。

数据记录如下：
1. 粗测系统，使其正常工作；断开电容调整器。

将合适的i V 接入前放的“检验”端，用示波器
观测前放输出的1o V ，主放输出2o V 。

（想想看，此时1o V 的衰减时间常数还是否f τ？为何？注意，此时主放的输入阻抗已作为前放的负载）
答：1o V 的衰减时间常数将不再是f τ，因为此时主放的输入阻抗已作为前放的负载，所以R f 有变化，时间常数也就变了
2. 断开i V ；将电容调整器直接接至前放“输入”端。

主放s i d μττ1==，0A 最大。

3. 依次改变电容调整器的电容量：0、10、20、80、100、200、300pf 。

分别用示波器或高频毫
伏表测量输出端的噪声，注意输出端的噪声随C 的变化规律。

4. 改变i d ττ=值，与③情况加以对比。

5. 改变0A 之大小，与③情况加以对比。

由④⑤实验结果与③的对比情况再回头理解（1）③中的思考问题。

数据记录如下表格：
对三次测量结果进行直线拟合：
等效噪声电压V n o
电容值/pF
拟合曲线：y =0.72x +42.76
等效噪声电压V n o
电容值/pF
拟合曲线：y =0.49x +22.61
等效噪声电压V n o /m V
电容值/pF
拟合曲线：y =0.43x +17.58 数据分析：
首先从三幅图中可以看出的死，数据曲线均呈线性，这表明实验和理论符合的比较好，其噪声指标往往分两项给出，一项是零电容噪声，它表示前置放大器的固有噪声，即不带探测器、不外加电容时的噪声；另一项是噪声斜率，它定义为前置放大器输入端对地每外加1微微法的电容时噪声增加多少；噪声斜率用来估计在接上探测器时，它的极间电容对噪声的影响。

然后通过三幅图都可以明显看出等效输出噪声电压值随着在输入端外加电容的增大而增大； 从第一幅图和第二幅图可以看出，放大器时间常数改变，等效输入噪声也会有变化，本次实验中，当τd ，τi 从1μs 下降到0.5μs 时，等效输出噪声电压值下降；从第一幅图和第三幅图可以看出，当主放的放大倍数变小时，等效输入噪声变小 三、 观察前放外壳的屏蔽作用[教师操作]
滤波成形：s i d μττ1==，2560=A （细调不动，即最大），C=0pf ，观察输出端噪声no V 的大小。

其余不动，用改锥打开前放屏蔽外壳，观察输出端噪声的变化，了解前端电路屏蔽的重要性。

实验分析：
这个实验由于实验关系没有进行，但是在上述实验过程中，实际上已经遇到了类似的问题，在步骤2中，当输入端空载时，如果不用铝箔对外面进行屏蔽，输出波形噪声非常大，由此可见，外壳的屏蔽作用是很大的。

四、 运用国外主放和前放完成上述步骤3 实验分析:
实验中发现，当成套使用进口仪器时，噪声很小，在没有屏蔽的情况下输出信号已经比较理想。

由于前放的端口和电容小盒不匹配，所以没有进行后续的测量。

但是通过定量的观察波形，可以看出国内在核仪器的制造上还是有很长的路要走的。