第34章前置放大器、谱仪放大器

探测器漏电流噪声 电阻RD热噪声 Vo 场效应管栅极漏电流噪声 场效应管沟道噪声 电阻Rf热噪声
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对噪声表示方法（如： 、 diDL2dVTC2 ）的解释：
◇ 噪声的平均功率： 即噪声电压或噪声电流在1Ω电阻上产生的平均功率。
p v2 或 p i2
◇ p 是各频率分量平均功率之和： p s()d 0 其中：S(ω)称为功率谱密度 dps()ddv2di2
(k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)
从上式可见：C∑越小，a噪声越小。因此前放与探测器 靠得越近，放大器的总噪声越小。
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3）、主要性能指标 （1）、灵敏度 定义1： 电荷灵敏度。 电荷灵敏前放输出电压信号VOM与输入电荷 量Q的比。用符号ACQ表示。
A C QV O M/Q 1/Cf
（Cf小，可得到较大的变换增益，但Cf要有良好的稳定性。）
输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数”都是稳 定的。
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2、电荷灵敏前置放大器的实用电路 电荷灵敏前放的实用电路形式有多种，阻容反
馈型是最常用的一种。
1）、 原理电路
+H .V
Rf
Rf - H .V
RD
C ii =Qδ(t)
Cf T1
Vi
D ii =Qδ(t)
Cf Vi
Vo
D
Vo
(a)交流耦合电路
(b)直流耦合电路
Cf－Rf 构成反馈网络（Rf 为Cf 提供放电回 路），因此称这种型式的前置放大器为阻容反
馈电荷灵敏放大器。
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2）、噪声简介
+H .
Rf
V RD
a、前置放大器的主要噪声源：
C
D
Cf Vo
diR2f
Rf
Cf dVT2 C
ii
-A
RD
diD2L diR2D diT2L Ci = CD +Cs +CA
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如果满足 则
AoCf 》Ci＋Cf （实际上 Ci：几十pf ~ 上百pf
VOM
Q Cf
Ao：几千
)
实际上反馈电容Cf可以足够稳定，所以输出幅 度VoM反映了输入电荷Q的大小且与Ci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。
只要Cf保持恒定不变，不论Ci 、Ao是否稳定，
＊ 和前置放大器的噪声源有关。 ＊ 与探测器所用材料有关。（锗和硅的平均电
离能不同） ＊ 和主放大器中的滤波器形式及时间常数有关。 （后面讲）
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所以在具体给出某一系统的噪声线宽时， 必需说明主放大器中使用什么样的滤波器和多 大的时间常数（道理后面讲）。同时还应注明 探测器的材料是锗还是硅。 例如：CR-RC成形，时间常数10μs，
核仪器概论
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第三章 前置放大器
第一节 概述
△ 探测器与前置放大器连接的等效电路图
V(t)
IO(t)
Ri
Ci
若RiCi>>Io(t)的持续时间时， V(t)的幅度与Io(t)的 积分成正比，即与入射粒子的能量成正比。
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第二节 谱仪前置放大器的类型
电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器
一、 电压灵敏前置放大器
ii
Vi
+电压 电压
放大器
vi
ii
-
CD Cs CA
Vo
vo
探测器
电压灵敏前置 放大器
（上述电路忽略了Ri ）
Q
tw 0
ii
d
t
ViM Q/Ci
Ci=CD+CA+CS
Vo M Vi M Q
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电压灵敏前置放大器的问题：
输入端总电容Ci可能是不稳定的。如： 放大器输入电容CA可能由于输入级增益不稳定 而变化。
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定义2： 能量灵敏度。
探测器材料沉积的每MeV能量在放大器输出 端可得到多少mV信号，用符号ACE表示。
ACE VOM/E （其中e为电子电荷，W为
或
ACE e/WCf 探测器的平均电离能。）
对硅探测器：Cf ＝1pf 时, ACE＝ 44mv/MeV Cf ＝0.1pf 时，ACE＝ 440mv/MeV
以上是高斯形噪声能谱曲线，图中ENE为折 算到前放输入端的等效噪声能量。其半高宽被称 为等效噪声能量线宽，用FWHMNE表示。
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c、等效噪声能量线宽的计算方法:
ENE Von AOACE
VonW AOACQe
（Ao为主放的电压增益）
FWHMNE＝2.355 ENE。单位为eV。
d、 FWHMNE的值主要与哪些因素有关？
（室温下的硅(Si)：
W＝3.61eV
低温（77K）下的锗（Ge）: W=2.96eV ）
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（2）、噪声指标
◇ 给出电荷灵敏前放的噪声指标之前几个概念应 先讲述清楚。
a、前放的噪声通常是：将放大系统（包括：探 测器、前放、主放）输出端的噪声（用Von表示） 折合到前放的输入端的等效噪声。
探测器
前置放大器
噪声线宽为200eV(Si)。
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◇产品说明中给出的噪声指标：
由于探测器—前置放大器系统的噪声与CΣ有 关，即与探测器电容CD有关。所以电荷灵敏前置 放大器的噪声指标往往分两项给出：
谱测量系统(如：各种半导体谱仪)中使用的几乎 都是电荷灵敏前置放大器。 1、电荷灵敏前置放大器的工作原理
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ii
0 tw
if -vf +
Cf
vi - A
vo
+
Ci
C ifo
其中 Q为输入电荷，Q
tw 0
ii
d
t
Cifo = Ci+(1+Ao)Cf
VOM
Q Cf
若：AO为开环放大倍数。
V O MV O( )A C o iQ fo C i(1 A 0Q A 0)Cf
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上述各噪声源： 场效应管沟道噪声被称为“串联噪声”，又称a噪声。 其余各噪声源被称为“并联噪声”，又称b噪声。
ii
Ci
Rf Cf
A
d V a2 d Vb2
VO
dVa2(34kgTmC2)C1f2d
(C C DC AC SC f)
d V b 2 { 2 1[2 e(ID Ig)R D 4 k //T R f]} 2 1 C f2d
主放大器
噪声
Von W Ao ACQ e
等效噪声 能量
Von Ao ACQ
等效噪声 电荷
Von Von / A0
Ao为主放来自百度文库电压增益
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b、电荷灵敏前置放大器的噪声指标，通常是用 等效噪声能量线宽FWHMNE的概念给出的。
相对计数 1.00
ENE ENE
0.61 0.50
0 FWHMNE
能量
使用P-N结半导体探测器时，如偏压不稳，则结 电容CD将发生变化等。
当Ci不稳定时，输出电压幅度VoM也不稳定，在 能谱测量中，这将使系统的能量分辨率降低。
所以电压灵敏前置放大器一般只适用于能量分辨 率比较低的谱仪系统。例如，用闪烁探测器的幅度 或能谱测量系统。
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二、电荷灵敏前置放大器 具有良好的低噪声性能。目前高分辨率能