第二章前置放大器.
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第二章前置放大器
内容提要
§1. 概述 一.前置放大器的作用 二.前放的分类(按与配的探测器分类略) §2. 电荷灵敏前放 一.主要特征 二.电荷灵敏前放基本电路和实例分析 三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 四.电荷灵敏前放的改进（略） 五.电荷灵敏前放噪声的实验测量 §3. 电压(灵敏)前置放大器 §4. 电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）
13
3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器)图2.1.5
1,2用于能谱测量, 3用于时间测量.
§2. 电荷灵敏前放 输出增益稳定、噪声低、性能良好 一．主要特征 1.变换增益(电荷灵敏度)
ACQ
iD ( t )dt VOM AO ViM 0 A Q Q QCif
A0 Q Q 1 1 Q C i (1 A0 )C f C f Q C f
11
作拉氏反变换 Q v0 t u t C Cf A C 当A 1时， C f A Q v0 t u t Cf V0 mu t V0 m Q C f
另外，从放大器的输入端看：由于密勒 效应，电容相当于被放大了（1+A)倍 C if = Ci + (1+A)Cf 原电路可以等效成
vi (t )
Ci
i
0
D
(t )dt7前置放大器的源自类•I.
在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保 留信号的不同特点，可以分为两大类：
积分型放大器
电压灵敏前置放大器
对探测器信号先积分再放大
电荷灵敏前置放大器
II.
放大和积分同时进行 电流型放大器
电流灵敏前置放大器 保留输入电流信号的形状特征
4
2.减少外界干扰的相对影响
前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑 制外界干扰。前置放大器输出的信号沿电缆传送过程中受 到干扰时，由于信号已经过放大，干扰对信号的影响相对 减小。为了减小外界干扰的影响，除了前置放大器要有良 好的屏蔽以及足够的放大倍数外，在传送弱信号时，所用 电缆也要有良好的屏蔽和噪声性能，必要时还需使用低噪 声双层屏蔽电缆或双芯电缆如图。后者要求主放大器为差 分输入。
9
电压灵敏前置放大器的特性
• 电路结构简单 • 前放输出电压的幅度为VOM = AQ/Ci 而Ci=CD+CS+CAi – CD 随外加偏压而变化； – CS 随引线长短、元件位置因素变化而变化， – Cai 与放大器工作状态有关。 这些因素将使 VOM 的值在不同条件下发生变化，输出电压的精度 不高，一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要求不高系 统。如接在闪烁探测器后面。 • 如果在输入端并联大的电容？ 幅度，噪声
10
电荷灵敏前置放大器
•基本结构和工作原理
由高输入阻抗、高增益的倒 相放大器与一个反馈电容组 成的负反馈放大器。
列出电路方程 V0 s AVi s 解方程得 V0 s 其中 设iD t Q t I D S Q V0 S Q Cf C A 1 S C Ci C f 为冷电容 A I D S S C AC f Vi s Ci S Vi s V0 s C f S I D s 0
核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要
加以放大再进行测量。探测器-放大器系统的连接方式 所示，其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。
3
前置放大器的作用
• 前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输 出经高频电缆与主放大器相连。
1.提高系统的信噪比
在探测器与放大器连接处存在分布电容Cs。后面将证明，Cs 越小，则系统的信噪比越高。减小Cs的一个主要措施就是将 放大器尽量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。如 果把整个放大器和探测器安装在一起，系统比较笨重，并且 可能受到探测器周围条件的限制，例如空间太小、核辐射太 强等，常不便放置或操作。因此往往将放大器分为前置放大 器和主放大器。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测 器构成一个整体 (称探头)，这样就减小了Cs，提高了信噪比。 主放大器则通过电缆和探头相连，仪器本身以及使用人员的 工作条件也就摆脱了现场条件的限制。
VOM 为输出信号幅度，它仅仅决定 于Cf 值和Q的大小，将不随Ci 或A 的不稳定而变化，只要Cf 值恒定， 输出信号幅度保持与电荷量正比关 系。
12
• 应该注意以下几点：
（1）与反馈电容并联的电阻起到泄放上电荷的作用，一 般取值为108—109Ω，太小了会增加噪声，太大了起不 到泄放作用。另一个作用是产生直流负反馈以稳定放 大器直流工作点。 （2）探测器与放大器之间用电容起到隔直作用。一般取 值为几千pF量级。耐压为几千伏。
8
积分型前置放大器
电压灵敏型前置放大器
•基本原理 V-V 电压放大器
探测器电流信号在放大之前已被自然 积分为电压信号。 •探测器电流 iD(t)
1 vi (t ) Ci
tw
0
iD (t )dt Q
(脉冲形状和输入端总电 阻无关) 其中 i Ri Ci ( RD // RA i )(C D C S C Ai ) vo (t ) Avi (t )
基 本 内 容
放大器的的作用和分类
电荷灵敏前置放大器
电压灵敏前置放大器
电流灵敏前置放大器
(1)熟练掌握：电荷灵敏前置放大器的结构和实例分析。 (2)掌握：电压灵敏和电流灵敏前置放大器的特点。
目
的
与
要
求
前置放大器
与探测器输出直接相联的电路称为前置级，一般这部 分电路具有信号放大功能，故称为前置放大器。
5
• 3.合理布局，便于调节和使用 • (前放为非调节式,主放放大调节倍数、 成形常数) • 4.实现阻抗转换和匹配
(前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗)
6
信号的预放大
探测器和前放的等效电路 从放大器输入端看的输入电容 Ci=CD+CS+Cai 放大器输入端电压（忽略RD) 1 t
CD为探测器输出电容 CS为分布电容 Cai为放大器输入电容
内容提要
§1. 概述 一.前置放大器的作用 二.前放的分类(按与配的探测器分类略) §2. 电荷灵敏前放 一.主要特征 二.电荷灵敏前放基本电路和实例分析 三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 四.电荷灵敏前放的改进（略） 五.电荷灵敏前放噪声的实验测量 §3. 电压(灵敏)前置放大器 §4. 电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）
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3.电流灵敏前放(电流前放,并联反馈电流放大器)图2.1.5
1,2用于能谱测量, 3用于时间测量.
§2. 电荷灵敏前放 输出增益稳定、噪声低、性能良好 一．主要特征 1.变换增益(电荷灵敏度)
ACQ
iD ( t )dt VOM AO ViM 0 A Q Q QCif
A0 Q Q 1 1 Q C i (1 A0 )C f C f Q C f
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作拉氏反变换 Q v0 t u t C Cf A C 当A 1时， C f A Q v0 t u t Cf V0 mu t V0 m Q C f
另外，从放大器的输入端看：由于密勒 效应，电容相当于被放大了（1+A)倍 C if = Ci + (1+A)Cf 原电路可以等效成
vi (t )
Ci
i
0
D
(t )dt7前置放大器的源自类•I.
在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保 留信号的不同特点，可以分为两大类：
积分型放大器
电压灵敏前置放大器
对探测器信号先积分再放大
电荷灵敏前置放大器
II.
放大和积分同时进行 电流型放大器
电流灵敏前置放大器 保留输入电流信号的形状特征
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2.减少外界干扰的相对影响
前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑 制外界干扰。前置放大器输出的信号沿电缆传送过程中受 到干扰时，由于信号已经过放大，干扰对信号的影响相对 减小。为了减小外界干扰的影响，除了前置放大器要有良 好的屏蔽以及足够的放大倍数外，在传送弱信号时，所用 电缆也要有良好的屏蔽和噪声性能，必要时还需使用低噪 声双层屏蔽电缆或双芯电缆如图。后者要求主放大器为差 分输入。
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电压灵敏前置放大器的特性
• 电路结构简单 • 前放输出电压的幅度为VOM = AQ/Ci 而Ci=CD+CS+CAi – CD 随外加偏压而变化； – CS 随引线长短、元件位置因素变化而变化， – Cai 与放大器工作状态有关。 这些因素将使 VOM 的值在不同条件下发生变化，输出电压的精度 不高，一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要求不高系 统。如接在闪烁探测器后面。 • 如果在输入端并联大的电容？ 幅度，噪声
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电荷灵敏前置放大器
•基本结构和工作原理
由高输入阻抗、高增益的倒 相放大器与一个反馈电容组 成的负反馈放大器。
列出电路方程 V0 s AVi s 解方程得 V0 s 其中 设iD t Q t I D S Q V0 S Q Cf C A 1 S C Ci C f 为冷电容 A I D S S C AC f Vi s Ci S Vi s V0 s C f S I D s 0
核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要
加以放大再进行测量。探测器-放大器系统的连接方式 所示，其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。
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前置放大器的作用
• 前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输 出经高频电缆与主放大器相连。
1.提高系统的信噪比
在探测器与放大器连接处存在分布电容Cs。后面将证明，Cs 越小，则系统的信噪比越高。减小Cs的一个主要措施就是将 放大器尽量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。如 果把整个放大器和探测器安装在一起，系统比较笨重，并且 可能受到探测器周围条件的限制，例如空间太小、核辐射太 强等，常不便放置或操作。因此往往将放大器分为前置放大 器和主放大器。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测 器构成一个整体 (称探头)，这样就减小了Cs，提高了信噪比。 主放大器则通过电缆和探头相连，仪器本身以及使用人员的 工作条件也就摆脱了现场条件的限制。
VOM 为输出信号幅度，它仅仅决定 于Cf 值和Q的大小，将不随Ci 或A 的不稳定而变化，只要Cf 值恒定， 输出信号幅度保持与电荷量正比关 系。
12
• 应该注意以下几点：
（1）与反馈电容并联的电阻起到泄放上电荷的作用，一 般取值为108—109Ω，太小了会增加噪声，太大了起不 到泄放作用。另一个作用是产生直流负反馈以稳定放 大器直流工作点。 （2）探测器与放大器之间用电容起到隔直作用。一般取 值为几千pF量级。耐压为几千伏。
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积分型前置放大器
电压灵敏型前置放大器
•基本原理 V-V 电压放大器
探测器电流信号在放大之前已被自然 积分为电压信号。 •探测器电流 iD(t)
1 vi (t ) Ci
tw
0
iD (t )dt Q
(脉冲形状和输入端总电 阻无关) 其中 i Ri Ci ( RD // RA i )(C D C S C Ai ) vo (t ) Avi (t )
基 本 内 容
放大器的的作用和分类
电荷灵敏前置放大器
电压灵敏前置放大器
电流灵敏前置放大器
(1)熟练掌握：电荷灵敏前置放大器的结构和实例分析。 (2)掌握：电压灵敏和电流灵敏前置放大器的特点。
目
的
与
要
求
前置放大器
与探测器输出直接相联的电路称为前置级，一般这部 分电路具有信号放大功能，故称为前置放大器。
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• 3.合理布局，便于调节和使用 • (前放为非调节式,主放放大调节倍数、 成形常数) • 4.实现阻抗转换和匹配
(前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗)
6
信号的预放大
探测器和前放的等效电路 从放大器输入端看的输入电容 Ci=CD+CS+Cai 放大器输入端电压（忽略RD) 1 t
CD为探测器输出电容 CS为分布电容 Cai为放大器输入电容