核电子学第5课前置放大器

核电子学与核仪器第一章重点核辐射探测器等效电路及其信号引出第一章重点核电子学中的噪声噪声的衡量：等效噪声电压（ENV）；等效噪声电荷（ENC）；等效噪声能量（ENE）核电子学中的主要噪声有三类：散粒噪声；热噪声；低频噪声积分电路与微分电路本堂课主要内容：一、概述1.1前置放大器的作用1.2前置放大器的分类二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析一、概述1.1前置放大器的作用采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情况下，都首先要通过放大器放大后再进行分析。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。同时，为了减少探测器输出端到放大器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匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大器两部分。(在实际测量中，前置放大器的参数很少变动，而由后面的主放大器来调节。)一、概述1.1前置放大器的作用提高系统的信噪比布局1：传输线长，分布电容大，信噪比小。布局2：分布电容小，信噪比高，抗干扰能力强。为什么呢？一、概述1.1前置放大器的作用减少外界干扰的相对影响由于空间电磁干扰的存在，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。为了更好地抑制外界干扰，前置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。一、概述1.1前置放大器的作用合理布局，便于调节和使用为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要求有一定的放大倍数，工作稳定可靠，并做成非调节式。实现阻抗转换和匹配前置放大器是在探测器和主放大器之间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便于信号的输出，而前置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。一、概述1.2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，可有不同的前置放大器，如电离室前置放大器电路，正比计数器前置放大器电路，半导体探测器前置放大器电路和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，前置放大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器和电流灵敏前置放大器。一、概述1.2前置放大器的分类电压灵敏前置放大器探测器极间电容：CD；放大器的输入电容：CA；分布电容CS。则放大器的输入端总电容：Ci=CD+CA+CS01()wtiMDiVitdtQCoMiMVVQ一、概述1.2前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器的主要问题是输入端总电容Ci决定于CD、CA和CS，它们不是稳定不变的。例如，放大器输入电容CA可能由于输入级增益不稳定而变化；使用P-N结半导体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容CD将发生变化等等；这时Ci也就随之变化。当Ci不稳定时，输出电压幅度也不稳定，在能谱测量中，这将使系统的分辨率降低。在输入端并联大容量的电容器可减小输入总电容中不稳定因素的相对影响，然而，这将使信号幅度减小，信噪比降低。一、概述1.2前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈的电流积分器。ffoMCQVV一、概述1.2前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器由于反馈电容可以足够稳定，输入电容Ci的影响可以忽略，输出电压幅度VOM有很好的稳定性，因此这种电荷灵敏前置放大器常用于高能量分辨率能谱仪系统。为了释放Cf上不断累积的电荷量，并稳定反馈的直流工作点，需要采取一些措施，如附加一个阻值较大的反馈电阻Rf与Cf并联，Rf常称为泄放电阻。一、概述1.2前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接进行放大。一、概述1.2前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器输入电阻小，但时间响应较好，常用作快放大器，不过其相对噪声较大，主要用于时间测量系统。从电荷(或电压)灵敏与电流灵敏前置放大器两者输出信号保留的信息上并没有绝对的差别。但从物理测量的要求看：电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能谱测量分析系统；电流灵敏前置放大器则主要用于时间测量分析系统。二、电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器具有良好的低噪声性能，并且其输出信号幅度基本上不受探测器极间电容、放大器开环时输入电容和电压增益等参数稳定性的影响。目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益OMCQVAQ二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益在电荷灵敏前置放大器中，反馈电容Cf跨接于放大器的反相输入端和输出端之间，放大器采用高增益宽带运算放大器，输出阻抗很小，开环增益Ao很大。把反馈电容等效到输入端，由于密勒效应，总的输入电容为：则二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简化为：则输出信号为：对于电荷灵敏前置放大器，运算放大器的开环增益Ao足够大时，电荷变换增益ACQ仅与反馈元件Cf有关，因此只要采用高稳定精密的反馈电容，就可得到稳定的电荷变换增益。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益此外，还可以定义能量变换增益ACE，它表示相应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出幅度的大小。一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比探测器直接输出的信号要大一个数量级，相对于毫伏量级的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力要强的多。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：放大器开环增益Ao和输入电容的变化对输出稳定性的影响为：二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性引入反馈深度AoF，则要提高输出稳定性，减小相对变化量，要求AoF足够大。一般Cf取得较小，所以反馈系数F值也较小，此时放大器开环增益Ao必须很高。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性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，因此要提高测量精度必须减小噪声，尽量提高信噪比，这一性能指标对前置放大器电路是很重要的。前置放大器噪声常用能量半高宽FWHM来表示，例如某电荷灵敏前置放大器的噪声特性可表示为FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/pF，前一项为无外接电容时的等效噪声半宽度，后一项为其噪声斜率。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性输出脉冲上升时间(tr)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10%的变化到90%的时间，通常希望前置放大器在时间上能较快的响应，要求上升时间越小越好。输出脉冲上升时间tr取决于前置放大器本身的上升时间、探测器电流脉冲持续时间、以及探测器极间电容。通常定义前置放大器本身上升时间tro是指前置放大器在输入冲击电流Q·δ(t)时，输出电压的上升时间。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应包括信号堆积、输出动态范围和最高计数率等问题。从探测器输出单个信号来看，前置放大器输出信号的幅度较小，而且实际探测器输出是大量的随机脉冲，它对前置放大器线性工作的动态范围提出一定的要求。在电荷灵敏前置放大器中，由于对反馈电容Cf的充电作用，信号是一个一个的累加上去的，如果不给Cf上的电荷以放电通路的话，那么不断充电的结果，将使放大器无法工作。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应探测器与电荷灵敏前置放大器采用直流耦合。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应当输入单个电流Q·δ(t)时，由于反馈放大器输入端为虚地，则输出电压为如输出信号的平均计数率为n时，每个电流脉冲的电荷量为Q，则堆积的输出信号的平均值为二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应由于探测器输出脉冲在时间上是随机分布的，实际输出电压Vo是围绕其平均值上下起伏的。当平均计数率n较高时，输出电压的上下涨落分布可近似表示为高斯分布。则前置放大器的动态范围应不小于：二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应探测器与电荷灵敏前置放大器采用交流耦合。二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应上述电荷灵敏前置放大器的主要指标(变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出上升时间和计数率效应)，为具体电路的设计考虑和分析研究明确了要求。但应该注意各项指标的性能高低，需要结合具体物理实验需要，全面权衡考虑，因为实际上有些指标是相互牵制、制约的，不应该片面地强调某一指标。二、电荷灵敏前置放大器2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的一种典型电路二、电荷灵敏前置放大器2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例工作过程：半导体探测器D经过负载电阻由高压电源供电。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和T2管集电极输出电阻)。二、电荷灵敏前置放大器2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例这种电路的特点是：(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，电路容易满足所要求的条件。（共基放大器输入电阻小，频率特性好）。(2)上升时间小，反馈深度大，稳定性好。二、电荷灵敏前置放大器定量估算电路的开环增益假设射极跟随器电压增益接近于1，而且输入电阻也足够大；另外T2共基电路的输入电阻远小于T1的漏极负载电阻，则3222oooomiovviRgVR2||||OMomoiMVAgRV增益二、电荷灵敏前置放大器定量估算上升时间在实际测量中，常利用具有快速前沿的电压信号Vp通过一个小容量的检验电容C1，当放大器输入电容远大于C1时，近似在信号端注入电荷量为VpC的冲击电流信号。设T2集电极对地电容为Co2，在不考虑反馈时，上升时间为2.2Ro2·Co2,而对于分析电路222.21oorooRCtAF二、电荷灵敏前置放大器定量估算上升时间当反馈深度AoF很大的时候，可得22.2()oifromfCCCtgC当Ci和gm变化时，对能量分辨率是否有影响？总结一、前置放大器的作用与分类(提高信噪比、减少外界干扰的影响；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)二、电荷灵敏前置放大器(变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上升时间、计数率效应)