前置放大器

Vn
2
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T
信噪比
能量E
辐射源 输入信号电压Vi 探测器 Vo 放大器 （放大倍数A） Vno
等效噪声电压 (ENV)
信噪比—噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪 声均方根值的相对值来表示：
V Vn
Vo Vi Vno (ENV)
– 探测器的反向电流：1/f、散粒噪声（工艺措施、低温） – 前置放大器的第一级放大器—场效应管：热噪声（低温）
这就是核辐射探测器经常使用LN2制冷或半导体制冷的原因， 必要时把前置放大器的第一级放大电路也放在低温下。
核电子学中信号的放大
信号屏蔽电缆线 辐 射 源 核探 测器 前置放大器 主放大 器 （弱信号用双 芯屏蔽电缆）
共源接法
多数载流子在沟道中的热运动产生的热噪声是场效应管的主要噪声源。
场效应管工作在低温下，噪声降低，有利于提高信噪比。
核电子学中噪声小结
• 噪声与干扰
– 噪声：电子器件内部产生 – 干扰：来自于外部
• 散粒噪声与热噪声
– 散粒噪声：载流子数目涨落 – 热噪声：载流子热运动
• 核电子学噪声的主要来源
探测器中的漏电流噪声
半导体探测器的漏电流主要由三部分组成： •结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成 的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。 但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。 •P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流 散粒 •结区内因热激发产生的电子—空穴对所造成的反向电流 噪声
散粒噪声和热噪声的比较
来源 散 粒 噪 声 不同点 相同点
由载流子产 生和消失的 随机性引起 的 ，它体现 了载流子数 目的涨落。
由载流子热 运动引起的 电流或电压 涨落，通常 是在载流子 大量存在的 情况下发生 的。
di 2 2I e df
1 平均电流大，载流子数目 涨落大，噪声电流大。 2 脉冲宽度等于载流子的渡 越时间为纳秒级； 在时间域里，都可以 表示为随机的脉冲序 列，通常近似为随机 的冲击序列。 它们具有共同的统计 特征：都是平稳随机 过程，频谱近似为常 数（白噪声）。
核电子学中的噪声
在核电子学中遇到的噪声主要有三类： 散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f 噪声）。 在电子器件中，载流子产生和消失的随机性， 使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些， 有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。 热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。 低频噪声即1/f 噪声，又名闪变噪声或过量噪声， 其噪声电压随频率的降低而增大。
前置放大器
核辐射探测器输出信号幅度
用半导体探测器对能量E0为1MeV的射线进行测量， 分析输出电压信号幅度的量级（设探测器的结电容 C0为10pF）。
ne E0e V 4.8mV C0 wC0
核电子学中信号的放大
信号屏蔽电缆线 辐 射 源 核探 测器 前置放大器 主放大 器 （弱信号用双 芯屏蔽电缆）
放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（ 由脉冲放大器完成）。
噪声和干扰
在信号的产生、传输和测量过程中，噪声会迭加于有用信号上， 从而降低测量精确度。
噪声：由电子器件本身产生的 干扰：来自外部因素 交流电网的工频（我国为50赫）干扰； 电视和无线电广播干扰； 大功率设备的电磁场干扰； 直流电源的纹波干扰； 仪器（或插件）之间及仪器内接地不良而产生的干扰。
di 2 4kT / R df
1 和温度有关，温度升高， 热运动剧烈，噪声电流 或电压增加； 2 与外加电压或流过电阻的 平均电流无关。 3 平均脉宽取决于载流子每 秒碰撞次数的倒数，为 皮秒级
热 噪 声
核电子学中噪声的来源
核辐射测量仪器中很多器件如探测器、晶体管和电阻 等都会产生噪声。它们对于信号噪声比或测量精确度 的影响是不同的，其中探测器和前置放大器第一级器件 产生的噪声，得到的放大倍数最大，影响也就最严重。
ID是探测器的反向漏电流。温度升高，ID增加，噪声也随之增大。 因此，低温运用可以降低探测器的噪声。
第一级放大器的噪声
第一级放大器：噪声性能优越的结型场效应管（JFET： Junction Field Effect Transistor）
通过扩散或其它工艺，在一块N型(或P型)半导体材料的两边各做一个高杂质浓 度的P型区(或N型区)，把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅 极(G)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极(S)和漏极(D) 。中间的N区(或P区)是电流的通道，称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管 摘自《模拟电子技术基础》（第三版），华成英主编，高等教育出版社， 2001 子称为 N沟道(或P沟道)结型场效应管。
只要电路上和工艺上采取适当措施，外部干扰通常可以减小到次要程度
噪声的特点及表示方法
• 噪声是由所采用的元器件本身产生的，原则上可以设法减 小但无法完全消除。 • 噪声属于随机过程，它随时间的变化是杂乱无章的，但它 服从一定的统计规律。
– 噪声电压的时间平均值等于零。
– 只要有噪声存在，其平均功率就不为零。
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。
放大通常分为预放大（由前置放大器完成）和主放大（ 由脉冲放大器完成）。
前置放大器的作用
1. 提高系统的信噪比； 2. 减小信号经由电缆传送时外界干扰的影响； 3. 主放大器通过长电缆与探头相连，主放大器本身和操作 人员可以摆脱现场条件的限制； 4. 实现阻抗转换和匹配。