核辐射探测器与核电子学(6前置放大器)

1前置放大器赖万昌教授2006年春2教材与参考书：1.《核电子学》（上、下册）王经瑾，原子能出版社，1983年2.《核电子技术原理》王芝英，原子能出版社，1989年3.《晶体管低噪声电路》方志豪，国防工业出版社，1984年4.《低噪声电子设计》尤忠琪译，国防工业出版社，1977年5.《多道脉冲分析系统原理》屈建石，原子能版社，1987年36前置放大器主要内容：(1)各种信号处理电路；(2)有关技术指标及其测量技术。要求掌握：(1)电荷灵敏前置放大器(2)电压灵敏前置放大器预备知识：场效应管及晶体管放大电路(共射极、共基极电路)、互补放大器、运算放大器。4第四章核电子学信号处理概述第一节信号处理的基本要求信号处理电路的基本任务5第一节信号处理的基本要求信号处理电路的基本任务：1)收集探则器输出的电荷——前置放大器(第五章)2)放大信号，便于测量——主放大器(第六、七章)3)时间控制——(第八章)4)信号判别——甄别电路(第九、十章)5)幅度分析——模数变换(第十一章)6第二节线性系统的一般特性一、定义：特性参数保持恒定、不随时间和信号幅度变化的系统，称为线性系统(狭义的)。输出与输入之间永远保持线性关系的系统(广义的)。，等等—对数线性、指数线性—其它线性系统保持稳定不变。和理想的线性系统：截距或零点—传输系数或增益、斜率—bababxay7第二节线性系统的一般特性二、指标1)积分非线性——实际值与拟合值的最大偏差。2)微分非线性——实际斜率与平均效率的最大偏差。3)稳定性——增益稳定性、零点稳定性。4)时间特性——响应速度(信号建立时间，10-9～10-7s)、处理速度(处理一个信号所需要的时间，10-6～10-5s)8二、指标1)积分非线性(INL)——Integralnonlinearity用来描述实际传输特性(虚线)和理想直线的差别。是和最佳拟合直线比较，取垂直方向的最大相对偏差表示。一般要求INL＜±0.1％；高要求INL＜±0.01％。%100INLmaxbaxbaxyMiiiiiiiiiixayNbxxNyxxyNa122其中9二、指标2)微分非线性(DNL)——Differentialnonlinearity用来描述传输曲线的增益(斜率)变化。定义为最大增益与平均增益的相对差。微分非线性影响输出信息(y)密度分布(△n/△y，即单位y内的信号数)的均匀性。斜率小的地方密集更多的信息。在能谱测量中，微分非线性将使谱形畸变，影响能量分辨率，但总计数不变。%1001%10011DNLmaxmaxiiyxaaayx10二、指标2)微分非线性11增益稳定性定义为：增益稳定性使能谱沿y轴(能量轴)作伸缩性变化。二、指标3)稳定性——在线性系统中指的是增益稳定性、零点稳定性。baxaxyyaa12零点稳定性——零点的变化直接反应到输出量的变化。定义为：零点稳定性使能谱沿y轴(能量轴)左右平行移动。二、指标3)稳定性MMyyyboryb,13二、指标3)稳定性不稳定性产生的原因：a)温度变化——在一定环境温度范围内，增益稳定性常表示为温度每变化1℃增益变化的百分数，零点稳定性常表示为温度每变化1℃零点的变化量(绝对值)。b)电源变化——电网供电电压变化时(例如变化±10％)，以增益变化的百分数和零点的变化量来表示。c)长时间工作——环境温度和电网电压不变时，信号处理设备连续工作24小时或持干天，增益变化的百分数和零点的变化量。d)信号计数率变化——在信号计数率增高时，由于堆积效应，使信号的峰部互相重叠，或使基线偏移和涨落。14二、指标4)时间特性a)响应速度——即设备能处理什么量级的时间信息。对于现代的核电子学来说，处现微秒级的是慢速的，处理毫微秒级的是快速的，通常为10-9～10-7s。b)处理速度——每处理一个信号所需要的时间。不同的设备差异很大，通常为10-6～10-5s。15第三节滑移信号发生器(Slidingpulsegenerator)一种用来产生白谱(Whitespectrum)脉冲信号的信号发生器。白谱脉冲信号——脉冲幅度分布密度为常数的信号，即在各种幅度V处信号的分布密度dn/dV等于常数。用幅度分析系统测得的白谱幅度谱N＝f(m)，其连线是一条水平线。但如果幅度分析系统幅度分类不均匀，会在道宽大的道上得到的计数偏多，道宽窄的道的计数就会偏少。16第三节滑移信号发生器(Slidingpulser)工作原理与输出波形1)电压滑移速率2)幅度分布密度T：斜坡电压的周期；f：脉冲信号的频率；Vo：斜坡电压的幅度。2/TVdtdVoooVTfdtdnVTdVdn22/17第四节信号处理设备的插件化和标准化标准机架——1950年，电子管NIM标准(国际核仪器标准)——1964年，晶体管CAMAC标准(国际仪器标准)——1969年NIM——NuclearInstrumentModuleCAMAC——ComputerAidedMeasurementandControl使用时注意电源及信号标准。18第五章前置放大器第一节概述一、前置放大器的作用信号处理电路的基本任务第一、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。19第五章前置放大器第一节概述二、前置放大器的分类第一、电压灵敏前置放大器wtidtiQ020第五章前置放大器第一节概述二、前置放大器的分类第二、电荷灵敏前置放大器ffoMCQVV21第五章前置放大器第一节概述二、前置放大器的分类第三、电流灵敏前置放大器22第五章前置放大器第二节电荷灵敏前置放大器一、电荷灵敏前置放大器的工作原理。)()(00ivAv23第二节电荷灵敏前置放大器1.基本公式。)()(00ivAv考虑到fiiiCvvCvQ)]()([)(0)(ivWtidtiQ0式中为输入信号电压稳定值。输入电荷fifCGGA0如果foMCQV则fiifoMCACQACQAvV)1()(00000所以fiifCACC)1(00其中24第二节电荷灵敏前置放大器2.耦合方式与基本电路。D经过负载电阻RD由H.V.供电；C为隔直流电容；Rf用来释放Cf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。Ra表示T2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T2管集电极输出电阻)。25第二节电荷灵敏前置放大器2.耦合方式与基本电路。特点：（1）T1管的等效负载小，所以第一级的电压放大倍数、输入电容小，开环输入端总电容也就较小。因此，电路容易满足条件。（2）上升时间小，反馈深度大，稳定性好。26第二节电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器的噪声。1.串联噪声和并联噪声——(1)并联噪声电阻RD热噪声dfRkTidDRD42DR场效应管栅极漏电流噪声dfeIidDTI22反馈电阻热噪声dfRkTvdfRf42探测器漏电流噪声dfeIidDDI2227第二节电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器的噪声。1.串联噪声和并联噪声——(2)串联噪声场效应管沟道噪声dfgkTvdmTC382场效应管闪烁噪声dffAvdfTF228第二节电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器的噪声。1.串联噪声和并联噪声——(3)等效关系2svd2pid（图a）串联电压噪声（图b）等效为并联电流噪声29第二节电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器的噪声。2.a噪声、b噪声和c噪声a噪声——与ω2成正比的输入并联电流噪声22TCaididb噪声——与ω无关的输入并联电流噪声22222RfRDTCDLbidididididc噪声——与ω成正比的输入并联电流噪声22TFcidid30第二节电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器的噪声。a噪声、b噪声和c噪声的等效电路输入端总的并联电流噪声dcbaididididiiicbani)(2222222231第二节电荷灵敏前置放大器三、电荷灵敏前置放大器的实例。32第二节电荷灵敏前置放大器三、电荷灵敏前置放大器的实例。33第二节电荷灵敏前置放大器四、电荷灵敏前置放大器的主要特性1.噪声2.变换增益(Conversiongain)3.稳定性4.上升时间5.输入阻抗34第二节电荷灵敏前置放大器五、噪声的测量1.用示波器测量2.用高频电压表测量35第三节电压灵敏前置放大器怀特射极跟随器36第三节电压灵敏前置放大器荧光仪用前置放大器