核电子学-前置放大器1资料重点
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一般半导体探测器的电荷灵敏前置放大器主 要采用噪声较小的结型场效应管作输入级。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
探测器-前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等 效电路。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 探测器漏电流噪声
并联电流噪声源
和信号源是并联的。Rf
的电流噪声,也可以近似看作和信号电流并联，因为放
大器的输出阻抗通常很小。
串联电压噪声源
串联电压噪声源 场效应管的沟道噪声和闪烁噪声为 等效在输入端的串联电压噪声源。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 为了和并联电流噪声源进行比较，可以将串联电压 噪声源等效为与信号并联的电流噪声源。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
将前置放大器的输入电流噪声等效为输出电压噪声可 得：
可见，噪声的功率谱密度函数即 这一噪声总表达式是很有用的，它为进一步抑制噪声， 提高信噪比提供了理论依据。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
核电子学与核仪器
东华理工大学 核工系
上次课关键点
前置放大器的作用与分类
作用：提高信噪比、减少外界干扰的影响、合理 布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配 分类：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前置放大 器、电流灵敏前置放大器
电荷灵敏前置放大器的特性
变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上 升时间及其稳定性、计数率效应
电阻RD热噪声
场效应管栅极漏电流噪声
场效应管沟道噪声
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 场效应管闪烁噪声
反馈电阻热噪声
场效应管的栅极感应噪声，由于工艺改进，通常可忽略。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 并联电流噪声源
在把串联电压噪声折算为并联电流噪声时，只与前置
放大器输入端的冷电容
有关，冷
电容越大，等效并联电流噪声就越大，由于Cf本身不 大，冷电容是由输入端的总电容Ci起决定作用。
注意：“冷电容”与前置放大器输入电容的区别，后 者不能忽略Cf的作用。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
降低前置放大器噪声的措施
（1）输入级采用低噪声器件。目前低温运用的结 型场效应管具有最低的噪声，在常温下，结型场 效应管的噪声也比晶体管小得多，所以一般均采 用低噪声场效应管作输入级放大管。
（2）低温运用。当温度T低时，a噪声较小，而且 由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也 使b噪声减少。特别是场效应管的跨导也与温度有 关，在一定温度范围内，gm值要比常温大一倍左 右。
最后计算出的等效并联电流为：
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
在前置放大器中，当输入端噪声全等效为并联电流噪 声后，根据其与频率的依赖关系，可分为a噪声，b噪 声和c噪声。 a噪声(与ω2成正比)
b噪声(与ω无关)
d
c噪声(与ω成正比)
二、电荷灵敏前置放大器
Vo
结型场效应管
iD RD
场效应管放大电路的
场效应管是电压控制 器件，它没有偏流， 关键是建立适当的栅
源偏压UGS。
gmVGS RD
引入
结型场效应管
场效应管中电流只由多数载流子形成，所以又称 为单极型晶体管。场效应管的栅极作为电压信号 输入的控制端，正常工作时两个PN结处于反向偏 置，耗尽层电阻极高，只有极小的反向电流流通，ห้องสมุดไป่ตู้这就是栅极电流。 场效应管只有一种多数载流子的定向漂移运动， 所以它的噪声要比晶体管的低。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
降低前置放大器噪声的措施 （3）减少冷电容CΣ。因为CΣ =CD+CS+CA+Cf，除 了CD、CA外，CS可采用输入级紧靠探测器的办法 来减少，Cf则采用合适的反馈电容。 （4）反馈电阻Rf和探测器负载电阻RD，常通过实 验选用低噪声电阻，阻值一般在109Ω—1010Ω左右。 可采用真空兆欧电阻或金属膜电阻，并处于低温 工作，以降低热噪声。
本堂课主要内容：
二、电荷灵敏前置放大器
2.3 电荷灵敏前置放大器的噪声分析 2.4 电荷灵敏前置放大器的进一步改进 2.5 电荷灵敏前置放大器的实验测量
三、电压灵敏前置放大器 四、电流灵敏前置放大器
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
对于高分辨率的能谱测量装置，要求探测器 -放大器系统的信噪比尽可能高。在放大器 中一般只考虑在前置放大器第一级减小噪声， 因为第一级产生的噪声为后面各级放大电路 所放大，它在决定整个装置的噪声中起着主 要的作用。
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
代入各噪声分量的表达式，整理后得到的输入端总的 并联噪声：
其中
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
以a、b、c输入并联电流噪声表示的等效电路：
等效输入端电流噪声
等效输出端电压噪声
（此外，还可从噪声与频率的关系，用滤波网络来限制频带 宽度）
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
当反馈足够深时
由图(a) 由图(b)
d v02
Cf Ci C
f
dv2
di2 ( 1 ) jwC f
d v02
最终得到
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
引入
结型场效应管
场效应管和普通三 极管一样，可以看 作是受控的电流源， 但它是一种电压控 制的电流源。
转移特性曲线：
是指在一定漏源电压UDS作用 下，栅极电压UGS对漏极电流 ID的控制关系曲线。
引入
结型场效应管
输出特性曲线： 是指在一定栅极电压
UGS作用下，ID与UDS之
间的关系曲线。
引入
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
探测器-前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等 效电路。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 探测器漏电流噪声
并联电流噪声源
和信号源是并联的。Rf
的电流噪声,也可以近似看作和信号电流并联，因为放
大器的输出阻抗通常很小。
串联电压噪声源
串联电压噪声源 场效应管的沟道噪声和闪烁噪声为 等效在输入端的串联电压噪声源。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 为了和并联电流噪声源进行比较，可以将串联电压 噪声源等效为与信号并联的电流噪声源。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
将前置放大器的输入电流噪声等效为输出电压噪声可 得：
可见，噪声的功率谱密度函数即 这一噪声总表达式是很有用的，它为进一步抑制噪声， 提高信噪比提供了理论依据。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
核电子学与核仪器
东华理工大学 核工系
上次课关键点
前置放大器的作用与分类
作用：提高信噪比、减少外界干扰的影响、合理 布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配 分类：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前置放大 器、电流灵敏前置放大器
电荷灵敏前置放大器的特性
变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上 升时间及其稳定性、计数率效应
电阻RD热噪声
场效应管栅极漏电流噪声
场效应管沟道噪声
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 场效应管闪烁噪声
反馈电阻热噪声
场效应管的栅极感应噪声，由于工艺改进，通常可忽略。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声 并联电流噪声源
在把串联电压噪声折算为并联电流噪声时，只与前置
放大器输入端的冷电容
有关，冷
电容越大，等效并联电流噪声就越大，由于Cf本身不 大，冷电容是由输入端的总电容Ci起决定作用。
注意：“冷电容”与前置放大器输入电容的区别，后 者不能忽略Cf的作用。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
降低前置放大器噪声的措施
（1）输入级采用低噪声器件。目前低温运用的结 型场效应管具有最低的噪声，在常温下，结型场 效应管的噪声也比晶体管小得多，所以一般均采 用低噪声场效应管作输入级放大管。
（2）低温运用。当温度T低时，a噪声较小，而且 由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也 使b噪声减少。特别是场效应管的跨导也与温度有 关，在一定温度范围内，gm值要比常温大一倍左 右。
最后计算出的等效并联电流为：
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
在前置放大器中，当输入端噪声全等效为并联电流噪 声后，根据其与频率的依赖关系，可分为a噪声，b噪 声和c噪声。 a噪声(与ω2成正比)
b噪声(与ω无关)
d
c噪声(与ω成正比)
二、电荷灵敏前置放大器
Vo
结型场效应管
iD RD
场效应管放大电路的
场效应管是电压控制 器件，它没有偏流， 关键是建立适当的栅
源偏压UGS。
gmVGS RD
引入
结型场效应管
场效应管中电流只由多数载流子形成，所以又称 为单极型晶体管。场效应管的栅极作为电压信号 输入的控制端，正常工作时两个PN结处于反向偏 置，耗尽层电阻极高，只有极小的反向电流流通，ห้องสมุดไป่ตู้这就是栅极电流。 场效应管只有一种多数载流子的定向漂移运动， 所以它的噪声要比晶体管的低。
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
降低前置放大器噪声的措施 （3）减少冷电容CΣ。因为CΣ =CD+CS+CA+Cf，除 了CD、CA外，CS可采用输入级紧靠探测器的办法 来减少，Cf则采用合适的反馈电容。 （4）反馈电阻Rf和探测器负载电阻RD，常通过实 验选用低噪声电阻，阻值一般在109Ω—1010Ω左右。 可采用真空兆欧电阻或金属膜电阻，并处于低温 工作，以降低热噪声。
本堂课主要内容：
二、电荷灵敏前置放大器
2.3 电荷灵敏前置放大器的噪声分析 2.4 电荷灵敏前置放大器的进一步改进 2.5 电荷灵敏前置放大器的实验测量
三、电压灵敏前置放大器 四、电流灵敏前置放大器
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
对于高分辨率的能谱测量装置，要求探测器 -放大器系统的信噪比尽可能高。在放大器 中一般只考虑在前置放大器第一级减小噪声， 因为第一级产生的噪声为后面各级放大电路 所放大，它在决定整个装置的噪声中起着主 要的作用。
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
代入各噪声分量的表达式，整理后得到的输入端总的 并联噪声：
其中
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
以a、b、c输入并联电流噪声表示的等效电路：
等效输入端电流噪声
等效输出端电压噪声
（此外，还可从噪声与频率的关系，用滤波网络来限制频带 宽度）
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
当反馈足够深时
由图(a) 由图(b)
d v02
Cf Ci C
f
dv2
di2 ( 1 ) jwC f
d v02
最终得到
二、电荷灵敏前置放大器
2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
前置放大器的串联噪声和并联噪声
引入
结型场效应管
场效应管和普通三 极管一样，可以看 作是受控的电流源， 但它是一种电压控 制的电流源。
转移特性曲线：
是指在一定漏源电压UDS作用 下，栅极电压UGS对漏极电流 ID的控制关系曲线。
引入
结型场效应管
输出特性曲线： 是指在一定栅极电压
UGS作用下，ID与UDS之
间的关系曲线。
引入