前置放大器原理与应用

前置放大器原理及应用

1.1 概述

1.1.1 前置放大器的作用

前置放大器的主要作用如下：

第一、提高系统的信噪比。

第二、减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。

图1-l-l 核辐射测量中探测器一放大器系统的连接方式

（a ）前置放大器与主放大器之间用一般电缆连接（b ）前置放大器与主放大器

之间用双芯电缆连接。

图中Z 0为电缆的特性阻抗，R =Z 0

1.1.2 前置放大器的分类

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，它的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器输出电流信号的波形保持一致；

电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器，如图1-1-2所示。图中i i 为探测器输出的电流信号，w t 为信号持续时间，⎰=w

t i dt i Q 0为每个电流信号携带的总电荷量，D C 、

A C 、s C 分别为探测器的极间电容、放大器的输入电容和输入端的分布电容，输入端总电容s A D i C C C C ++=。假设放大

器是输入电阻极大的电压放大器，则输

入电流信号i i 在输入端总电容i C 上积分

为电压信号i v ，其幅度iM V 等于i C Q /与Q

成正比。输入电压信号i v ，由电压放大

器进行放大，因此；输出电压信号的幅

度oM V 也与Q 成正比。

图1-1-2电路中，输入端总电容i C 决

定于D C 、A C 和s C 它们不是稳定不变的。

例如，放大器输入电容A C 可能由于输入

级增益不稳定而变化，使用P-N 结半导

体探测器时，如偏压不稳定，则其结电

容D C 将发生变化等等，这时i C 也就随之

变化。当i C 不稳定时，输出电压幅度oM V 也不稳定。所以图1-1-2这种电压灵敏前置放大器一般只适于稳定性要求不高

的低能量分辨率系统。

图1-1-3是利用密勒积分器构成的前置放大器。其输出电压幅度oM V 有很好的稳定性，同时有较高的信噪比。图中f C 为反馈积分电容，i C 是不考虑f C 时输入端总电容。当输入电流信号)(t i i 时，输出电压0v 上升。设电压放大器的低频增益0A 足够大，使得f C 对

输入电容的贡献)1(0A +f C 远

大于i C ，则输入电荷Q 主要累

积在f C 上。注意10>>A 时输

出信号电压幅度近似等于f

C 上的电压f V ，则

f

f oM C Q V V ≈≈ 实际上反馈电容f C 可以足够稳定，所以输出幅度oM V 反映了输入电荷Q 的大小且与i C 无关。鉴于这一特点，我们将这种前置放大器称为电荷灵敏前置放大器。

图1-1-2 电压灵敏前置放大器 图1-1-3 电荷灵敏前置放大器

电流灵敏前置放大器通常是一个并联反馈电流放大器，如图1-1-4所示，其输出电流（或电压）与输入电流成正比。 1.2 电荷灵敏前置放大器

1.2.1 电荷灵敏前置放大器的工作原理 对于图1-1-3所示电荷灵敏前置放大器，不难看出，输出信号电压稳定值

)()(00∞-=∞i v A v （1.2.1）

式中)(∞i v 为输入信号电压稳定值。输入电荷

⎰=W

t i dt i Q 0 （1.2.2）

考虑到

f i i i C v v C v Q )]()([)(0∞-∞+∞-=

将（1.2.1）式代入上式，可得输出信号电压稳定值)(0∞v ，亦即输出信号电压幅度

f i if oM C A C Q A C Q A v V )1()(00000++==∞=

（1.3.2） 其中 f i if C A C C )1(00++=

（1.2.4）

是电荷灵敏前置放大器低频等效输入电容。如果满足

f i f C G G A +>>0 （1.2.5）

则

f oM C Q V ≈ （1.2.6）

上式表明，当f i f C C G A +>>0时，只要f C 保持恒定不变，不论i C 、0A 是否稳定，输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数”都是稳定的。

图1-1-4 电流灵敏前置放大器

图1-2-1 电荷灵敏前置电放大器

（a ）交流耦合电路 （b ）直流耦合电路

图1-2-1（a ）是电荷灵敏前置放大器的一种典型电路。半导体探测器D 经过负载电阻D R 由高压电源H.V.供电。C 为隔直流电容。f R 用来释放f C 上积累的信号电荷，并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。a R 表示2T 管的等效动态负载电阻（主要决定于虚线框内恒流源的内阻的2T 管集电极输出电阻）。

这种电路的特点是：

（1）1T 管的等效负载小，所以第一级的电压放大倍数、输入电容小，开环输入端总电容i C 也就较小。因此，电路容易满足（1.2.6）式f oM C Q V /≈所要求的条件：f i f C C C A +>>0。

（2）上升时间小，反馈深度大，稳定性好。

1.2.3 电荷灵敏前置放大器的电路

一、阻容反馈电荷灵敏前置放大器

图1-2-1中f f R C -构成反馈网络，这种型式的前置放大器称为阻容反馈或f f R C -反馈电荷灵敏前置放大器。

图1-2-5是上述前置放大器构一种实际电路。第一级1T 采用三个并联的场效应管，可降低噪声斜率，按大电容探测器时总噪声小。接小电容探测器则用单个场效应管为宜。2T 是共基极放大管，3T 及有关电路为恒流负载。末级4T 至7T 组成两级互补射极输出器，用它来驱动后接负载时可改善输出正负信号（或正负沿）的过渡特性，并且减小负载对前置放大器开环放大倍数的影响。电路对正负信号均有较大的动态范围，可工作于较高的计数率。四个串联二设管和