前置放大器详细课件

ViM

tW
0
i D (t )dt Cif
Q Ci (1 A0 )C f
很大，即 Ao 1 ，而且 1 Ao C f Ci ，所以 ViM 输出幅度
Q 表示输入电流 iD (t ) 的总电荷量。 因为运算放大器的增益 Ao 通常
Q 。 A0 C f
VoM
A0 Q Q Ci (1 A0 )C f C f
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4、 输出脉冲上升时间及其稳定性
上升时间tr，是指输入一个阶跃信号时输出信号脉冲前沿由幅 度的10％变化到90％的时间，通常希望前臵放大器在时间上能 较快的响应，要求输出信号的上升时间愈小愈好。在能谱测量 系统中，如果前臵放大器输出信号的上升时间不稳定，即表示 前沿在变化，通过CR成形电路，使信号幅度值相应也发生变化， 可能导致系统的幅度分辨率降低。
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例: 当
C f 1PF ，
ACQ 11012 伏/库仑。因 ACQ 是相对于电荷量
仅与反馈元件－电容 ACQ
Cf有
输入而言，又称为电荷灵敏度，或电荷变换增益。对电荷灵敏放大器，
足够大时，电荷变换增益 A
o
关，而与
A和 o
C是否稳定无关，因此只要采用高稳定度精密的 i
反馈电容，即可得到相应稳定的电荷变换增益。 能量变换增益
输出脉冲上升时间 t ，取决于前臵放大器本身的上升时间 t r 0 r 探测器电流脉冲的持续时间、以及探测器的极间电容。通常定义 前臵放大器本身上升时间 t r 0 ，是指前臵放大器在输入冲击电流 时 Q (t ) ，输出电压的上升时间。目前一般水平为几十纳秒。
A0 F 足够大。因一般 C f 取得较小，所以反馈系数
1 5
举例：如 C f ＝1pF，Ci ＝5pF，则 F 。若放大倍数和输入电容相 对变化各为5％，而又需要输出稳定性要好于千分之一，则要求放大器
的开环增益至少大于500倍，这对选用设计放大电路提出了要求。
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3、 输出噪声
在测量中，除了真正有用的信号外，同时由许多噪声源所产 生的噪声与信号叠加在一起，因此要提高测量精确度，必须 设法减小噪声，尽量提高信噪比，这一性能指标对前臵放大 器电路是很重要的。
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一、电荷灵敏前置放大器的主要特性
Cf
vi (t )

QE
辐射源
vo Q
探 测 器
Ci

Ao
主 放 大 器
首先从物理实验的角度，提出对电荷灵敏前臵放大器的指标要求： 1 变换增益 ACQ
当探测器将正比于射线能量E的一定的电荷量Q输入到电荷 灵敏前臵放大器时，输出电压幅度VOM ，定义变换增益 为
因此，这三类前臵放大器在适当情况下可以互相转换。但从 物理测量的要求看：电荷灵敏和电压灵敏前臵放大器主要用 于能谱测量分析系统；电流灵敏前臵放大器则主要用于时间 测量。
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§2 电荷灵敏前置放大器
电荷灵敏前臵放大器是目前高分辨能谱测量系统中用的最多 的前臵放大器，它的输出增益稳定，噪声低，性能好。
(1 Ao )C f Ci
Q 1 Vom Cf Cf

tw
0
iD (t )dt
由于反馈电容可 以足够稳定，输 入端等效电容 Ci 的影响可以忽略， 输出电压有很好 的稳定性。因此 常用于高能量分 辨率能谱仪系统。
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3、电流灵敏前置放大器
Rf
tw

屏蔽电缆
iD (t )

Ao
vo (t ) io (t ) ii (t )
令 F
Cf Ci C f Cf Ci
则 A0 F表示反馈深度。
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设 A0 1
，A0 F 1 ，则
dV0 M 1 dA0 1 dCi V0 M A0 F A0 A0 F Ci
由上式可见，要提高输出稳定性，减小相对变化量，对电荷灵敏前置放
大器来说，要求 F值也较小，· 此时放大器开环增益 A0 必须很高。
ACE ，它表示相应于单位能量的射线被探测时，前臵放
VOM E
大器输出幅度的大小，即 ACE
由探测器产生的电荷量为: 其中： w 若
Q
E e w
Q
为平均电离能，e为电子电荷，所以， ACE
Cf e
Qw

e Cf w
C f ＝1pF，对硅半导体探测器，w ＝3.62 eV，则 ACE 44.4 mV/MeV。 而对锗半导体探测器， w＝2.96 eV，则 ACE 54 mV/MeV。
（1 ）提高系统的信噪比
辐 射 源 Cs 探测器 放大 与测量
由于核辐射探测器一般紧靠辐射源(如放射源、加速器、反应堆等)，所 以探测器工作现场可能是强的辐射场，往往空间狭窄(如井状、冷罐等)，或 环境恶劣(如高温、高压、高腐蚀等)，测试人员不宜在现场工作，而且也不 宜放臵大体积的仪器。 如果把核探测器的输出信号直接传送到有一定距离的成套仪器的测量室 去，按图所示来布局，可以发现：探测器与放大器连接的传输线愈长，分布 电容Cs会愈大，则信噪比相应愈小，甚至无法区分信号和噪声(要提高信噪比， 必须减小分布电容Cs)，而要把放大器等主机测量系统紧靠核辐射探测器是不 可能的，因此把放大器分成前臵放大器和主放大器两部分，前臵放大器的体 积小，并紧靠探测器构成探头，使之分布电容Cs尽量减小，尽可能提高信噪 比，再由屏蔽电缆线远传给主放大器。此外，由于探头的体积小，也便于进 行屏蔽、密封、加固，以适应较恶劣的环境条件。
ACQ VOM Q
，从物理实验的角度看，希望其变换增益越
大越好。
在电荷灵敏前臵放大器的实际电路中，反馈电容跨接于放大器的反相 输入端和输出端之间，起着负反馈作用，放大器采用高增益宽带运算 放大器，通常输入阻抗很高，输出阻抗很小，开环增益 A0 很大，并 C f ，等效到输入端，由于 且输入端处于“虚地”方式。 把反馈电容 密勒效应，总的输入电容为 。 Cif Ci (1 A0 )C f
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（3） 合理布局，便于调节和使用 为缩小体积，紧靠辐射源的前臵放大器通常要求有一定的
放大倍数，工作稳定可靠，并作成非调节式，放大倍数以及 成形时间常数的调节，则由主放大器来完成，主放大器放在 测量室，便于实验者操作调节。
（4） 实现阻抗转换和匹配 前臵放大箱是在探测器和主放大器之间可作为一个阻抗转换 器，探测器通常要求后级有高的输入阻抗以利于信号输出，而 前臵放大器通过电缆远距离传送给主放大器时，则要求有能与 电缆阻抗相匹配的低的输出阻抗及传递信号。这一阻抗转变特 性在前臵放大器电路设计中可以实现。
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二、前置放大器的分类
前置放大器按不同的特点有几种分类方法： 与不同的探测器相配，可以有不同的前臵放大器：
电离室前臵放大器电路 正比计数器前臵放大器电路 半导体探测器前臵放大器电路 闪烁探测器输出电路等。
根据探测器输出信号成形方式的特点分类：
前臵放大器可以分为： 电压灵敏前臵放大器 电荷灵敏前臵放大器 电流灵敏前臵放大器三大类。
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（2） 减少外界干扰的相对影响
屏蔽电缆线
辐 射 源
Cs 探测 器
前置 放大
主 放大器
由于空间电磁干扰存在，或有时屏蔽和隔离不好，在信号远距离传输时， 往往串入外界干扰，需要设法提高信号干扰比。 前臵放大器已作了初步放大，提高了输出信号幅度和远传能力，外界干 扰对信号的影响相对减少。 前臵放大器与探测器一起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔离、滤波等 措施。在弱信号传输时，还需用屏蔽良好、噪声较小的电缆线，当主放大 器为差分输入时，则采用低噪声双芯屏蔽电缆。
2、 输出稳定性
电荷灵敏前置放大器的输出幅度 VOM 基本表示式为
VOM A0 ViM
A0 Q Ci (1 A0 )C f
讨论放大器开环增益 A0 和输入电容 Ci 的可能变化及其对输出不稳定性 的影响，可以算出输出的相对变化值：
(Ci C f )dA0 dV0 M dCi V0 M [Ci (1 A0 )C f ] A0 Ci (1 A0 )C f
探测器
电压灵敏前置放大器
Ci CD CS CA
C D 探测器的极间电容 CS 连线分布电容
Q iD (t )dt
0
tw
ViM
C A 放大器的输入电容
1 C

tW
0
i D (t )dt Q
电压灵敏型的问题
电压灵敏前臵放大器的主要问题是输入端电容 Ci 不稳 定会导致输出电压幅度 VOM 的不稳定。 在能谱测量中，这将使系统的能量分辨率降低。
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1、电压灵敏前置放大器
电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器。
Vom Vim Q
tw
Q Vim C
vi (t ) iD (t )
CD

CS
CA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

AV
vo (t )
设计电压放大器 时，在其输入端 的总电阻足够大 时，不论探测器 电流脉冲的形状 如何，只要它们 所携带的电荷量 相等，则放大器 输出电压信号的 幅度也相等。
减少干扰，提高信噪比：在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量
存在，工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器。为了减少探测器输出端 到放大器输入端之间的分布电容的影响，减少外界干扰，提高信噪比，并使 连接信号用的高频电缆阻抗相应匹配，通常把放大器分成前臵放大器和主放 大器两部分。前臵放大器又称为预放大器，它的体积较小，放臵在探测器附 近，前臵放大器的输入与探测器相配合，甚至有时前臵放大器紧靠着探测器， 组装在一个结构中，称之为“探头”，其输出端再经过高频电缆与主放大器 相连。在测量过程中，前臵放大器的参数一般很少变动，而由后面的主放大 器来作放大倍数和成形时间常数的调节。
Ao
Vom
Q Cf
Ci

vo (t )
Cif Ci (1 Ao )C f
密勒积分器
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Rf
tw vi (t ) iD (t )

～109Ω量级
Cf
Ao
Q Vom Cf
Ci

vo (t )
Cif Ci (1 Ao )C f
AO为放大器的开 环增益，故有： 输出信号电压幅 度近似等于Cf上 的电压
在实际测量中， 电子学前臵放大器噪声常用能量半宽度FWHM 来表示，以一个实际的电荷灵敏前臵放大器为例，其噪声特性 表示为FWHM(Ge)＝1keV + 0.03keV／pF (注：此性能在后级 主放大器成形网络CR＝RC＝3.2ms时测量得到，它与后级成形 时间常数有关，该式第一项表示为没有外接电容时，相应等效 的噪声能量半宽度，而后一项与输入电容大小有关，它给出了 输入电容每增加lpF时，噪声能量半宽度的增量，称为噪声斜率。 由于前臵放大器的噪声在测量系统中起着主要作用，减小噪声 必须从前臵放大器采取措施。）
Ci 决定于 C D ，C A 和 C S ，它们的不稳定是常会出现的
例如：在使用PN结半导体探测器时探测器的极间电容，由 于偏压不稳定，其结电容 C D 会产生变化，而放大器输入 电容 C A ，也随输入级增益的变化而变化等等
RD + V 探 测 器 CC
vi (t )
AV
vo (t )
-
CD
CS
RL
电流灵敏前臵放大器是对探测器输出电流信号直接进行放 大，它通常是一个并联反馈电流放大器，如图所示。此时 输出电压或电流，都与输入电流成正比，故称之为电流灵 敏前臵放大器。这类前臵放大器的输入电阻较小，但时间 响应较好，常用做快放大器，只因相对噪声较大，主要适 用于时间测量系统。
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小结
电荷灵敏前臵放大器输出的电压，经过一定的网络成形，也能 产生正比于探测器输出的电流信号。 反过来，电流灵敏前臵放大器输出信号既然与探测器输出电流 信号的波形保持一致，也就保留了输入信号的全部信息，包括 电荷信息。
CA
在能谱测量中， 使系统的分辨率 降低。因此多用 于低能量分辨率 系统。
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2、电荷灵敏前置放大器
•能否引入一个大电容来相对减少由于 Ci 不稳定所带来的影响，而 又不使噪声有明显增加呢，这就是下面要讨论的采用反馈电容的连 接方式的电荷灵敏前臵放大器结构。
tw vi (t ) iD (t )

Cf
第二章
前置放大器
前置放大器的作用与分类；
电荷灵敏放大器；
电压灵敏放大器； 电流灵敏放大器。
1
§1 概 述
一、前置放大器的作用
信号的放大：在谱仪读出系统中，以及其他核辐射测量时，要对探测器输
出信号进行处理，包括对所获取的信号进行放大、成形、甄别、变换，分析、 记录等等。由于探测器输出的信号往往比较小，一般情况下，都首先要通过 放大器放大后再进行测量。所以，信号的放大是核电子学信号处理的一个必 要部分。