前置放大器學(xué)習(xí)課件

前置放大器核輻射探測器輸出信號幅度用半導(dǎo)體探測器對能量E0為1MeV的射線進(jìn)行測量，分析輸出電壓信號幅度的量級（設(shè)探測器的結(jié)電容C0為10pF）。核電子學(xué)中信號的放大放大通常分為預(yù)放大（由前置放大器完成）和主放大（由脈沖放大器完成）。核探測器主放大器前置放大器輻射源（弱信號用雙芯屏蔽電纜）信號屏蔽電纜線噪聲和干擾在信號的產(chǎn)生、傳輸和測量過程中，噪聲會迭加于有用信號上，從而降低測量精確度。噪聲：由電子器件本身產(chǎn)生的干擾：來自外部因素交流電網(wǎng)的工頻（我國為50赫）干擾；電視和無線電廣播干擾；大功率設(shè)備的電磁場干擾；直流電源的紋波干擾；儀器（或插件）之間及儀器內(nèi)接地不良而產(chǎn)生的干擾。只要電路上和工藝上采取適當(dāng)措施，外部干擾通?？梢詼p小到次要程度

噪聲的特點及表示方法噪聲是由所采用的元器件本身產(chǎn)生的，原則上可以設(shè)法減小但無法完全消除。噪聲屬于隨機過程，它隨時間的變化是雜亂無章的，但它服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。噪聲電壓的時間平均值等于零。只要有噪聲存在，其平均功率就不為零。

噪聲的表示—采用均方值作為噪聲大小的衡量尺度，即噪聲電壓的平方值按時間求平均，可得出均方值Vn

輸入信號電壓Vi探測器放大器（放大倍數(shù)A）能量E輻射源VoVno信噪比信噪比—噪聲對測量精度的影響，常用信號幅度和噪聲均方根值的相對值來表示：

等效噪聲電壓(ENV)核電子學(xué)中的噪聲在核電子學(xué)中遇到的噪聲主要有三類：散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲（又稱1/f噪聲）。在電子器件中，載流子產(chǎn)生和消失的隨機性，使得流動著的載流子數(shù)目發(fā)生波動，有時多些，有時少些，由此引起的電流瞬時漲落稱為散粒噪聲。熱噪聲是載流子做熱運動產(chǎn)生的一種噪聲。低頻噪聲即1/f噪聲，又名閃變噪聲或過量噪聲，其噪聲電壓隨頻率的降低而增大。散粒噪聲和熱噪聲的比較來源不同點相同點散粒噪聲由載流子產(chǎn)生和消失的隨機性引起的，它體現(xiàn)了載流子數(shù)目的漲落。1平均電流大，載流子數(shù)目漲落大，噪聲電流大。2脈沖寬度等于載流子的渡越時間為納秒級；

在時間域里，都可以表示為隨機的脈沖序列，通常近似為隨機的沖擊序列。它們具有共同的統(tǒng)計特征：都是平穩(wěn)隨機過程，頻譜近似為常數(shù)（白噪聲）。熱噪聲由載流子熱運動引起的電流或電壓漲落，通常是在載流子大量存在的情況下發(fā)生的。1和溫度有關(guān)，溫度升高，熱運動劇烈，噪聲電流或電壓增加；2與外加電壓或流過電阻的平均電流無關(guān)。3平均脈寬取決于載流子每秒碰撞次數(shù)的倒數(shù)，為皮秒級核電子學(xué)中噪聲的來源核輻射測量儀器中很多器件如探測器、晶體管和電阻等都會產(chǎn)生噪聲。它們對于信號噪聲比或測量精確度的影響是不同的，其中探測器和前置放大器第一級器件產(chǎn)生的噪聲，得到的放大倍數(shù)最大，影響也就最嚴(yán)重。探測器中的噪聲半導(dǎo)體探測器是反向偏置的PN結(jié)，其中存在著三種噪聲源。并聯(lián)電阻Rp的熱噪聲，Rp是耗盡層或補償層的電阻串聯(lián)電阻Rs的熱噪聲，Rs為探測器非靈敏區(qū)的材料體電阻與引線電阻之和探測器漏電流ID的散粒噪聲

對于面壘型探測器，Rp約為108-109Ω，在低溫下工作的P-I-N探測器，Rp可達(dá)1012Ω或更高。通常Rp比前置放大器或探測器的偏置電阻大很多，因此，Rp及其熱噪聲可以忽略。串聯(lián)電阻Rs的影響雖然比Rp大，但是對性能良好的探測器來說Rs也可忽略。探測器中的漏電流噪聲半導(dǎo)體探測器的漏電流主要由三部分組成：結(jié)周圍產(chǎn)生的漏電流：如半導(dǎo)體表面吸附原子后形成的表面電荷會引起漏電流，這種電流產(chǎn)生顯著的低頻噪聲。但是，通過表面純化和采用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，這種噪聲可大大降低。P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子向結(jié)區(qū)擴散而形成的反向電流結(jié)區(qū)內(nèi)因熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對所造成的反向電流ID是探測器的反向漏電流。溫度升高，ID增加，噪聲也隨之增大。因此，低溫運用可以降低探測器的噪聲。

散粒噪聲第一級放大器的噪聲第一級放大器：噪聲性能優(yōu)越的結(jié)型場效應(yīng)管（JFET：JunctionFieldEffectTransistor。通過擴散或其它工藝，在一塊N型(或P型)半導(dǎo)體材料的兩邊各做一個高雜質(zhì)濃度的P型區(qū)(或N型區(qū))，把兩個P區(qū)(或N區(qū))并聯(lián)在一起，引出一個電極，稱為柵極(g)，在N型(或P型)半導(dǎo)體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極(s)和漏極(d)。中間的N區(qū)(或P區(qū))是電流的通道，稱為導(dǎo)電溝道(簡稱溝道)。這種結(jié)構(gòu)的管子稱為N溝道(或P溝道)結(jié)型場效應(yīng)管。摘自《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第三版），華成英主編，高等教育出版社，2001場效應(yīng)管工作在低溫下，噪聲降低，有利于提高信噪比。多數(shù)載流子在溝道中的熱運動產(chǎn)生的熱噪聲是場效應(yīng)管的主要噪聲源。共源接法核電子學(xué)中噪聲小結(jié)噪聲與干擾的區(qū)別散粒散射與熱噪聲的異同核電子學(xué)噪聲的主要來源：散粒噪聲：探測器的反向電流（工藝措施、低溫）熱噪聲：前置放大器的第一級放大器—場效應(yīng)管（低溫）這就是核輻射探測器經(jīng)常使用LN2制冷或半導(dǎo)體制冷的原因，必要時把前置放大器的第一級放大電路也放在低溫下。前置放大器的作用提高系統(tǒng)的信噪比；減小信號經(jīng)由電纜傳送時外界干擾的影響；主放大器通過長電纜與探頭相連，主放大器本身和操作人員可以擺脫了現(xiàn)場條件的限制；實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配。前置放大器的分類電壓靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器積分型前置放大器電壓靈敏前置放大器

其中放大器輸入端總電容：Ci=CD+CA+CS放大器輸入端總電阻：Ri=RL+RA+RCiRi足夠大時

i(t)CDCSCA-電壓+放大器ViM=QCIVOMViMQ探測器電壓靈敏前置放大器Vo(t)Vi(t)電壓靈敏前置放大器的特點只要放大器輸入電阻足夠大，電荷量相同，則前放輸出電壓脈沖幅度即相同。能量分辨較差。輸入總電容Ci與CD、CA、CS有關(guān)。當(dāng)CD、CA、CS變化時，放大器輸入端電壓脈沖幅度也變化（ViM=Q/Ci）。

電壓靈敏前置放大器只適用于穩(wěn)定性要求不高的低能量分辨系統(tǒng)。交流耦合：隔直電容100pF-1nF，遠(yuǎn)大于探測器本身電容CD脈沖尾部指數(shù)下降，放電時間由Ci*R//RL決定，約為10-100微秒。電纜阻抗匹配前放的上升時間與電荷收集時間和放大器的上升時間等有關(guān)，一般在幾百ns左右。電荷靈敏前置放大器A0Cf>>Ci+Cf

則VoM

Q/CfiD(t)-+vo(t)CitWCfVOM=Q/CfVo(t)電荷靈敏前置放大器的特點只要Cf保持恒定不變，不論A0、Ci是否穩(wěn)定，輸出電壓幅度VoM對輸入電荷Q的“放大倍數(shù)”都是穩(wěn)定的。阻容反饋電荷靈敏前置放大器

衰減時間常數(shù)：通常為50s（與主放中極零相消電路時間常數(shù)的可調(diào)范圍相配合）。

上升時間：由探測器電荷收集時間和放大器的上升時間等決定，不大于200ns。由于反饋電阻的存在，所以電荷靈敏前置放大器的輸出包括一個時間常數(shù)為RfCf的衰減部分。iD(t)-+vo(t)CitWCfVOM=Q/CfVo(t)Rf無反饋電阻時有反饋電阻時反饋電阻釋放電容上累積的電荷，穩(wěn)定直流工作點，但是輸出脈沖有堆積，且是噪聲的主要來源。光反饋電荷靈敏前置放大器

利用脈沖光電反饋，釋放電容上不斷積累的電荷。通過這個辦法可以獲得大約100eV的能量分辨率iD(t)=Q(t)VoCf微分與選通VSVo電荷靈敏前放LEDIL電壓甄別器VHVoVLVSILVoQCf工作時間恢復(fù)時間電荷靈敏前置放大器的主要特性噪聲變換增益輸出電壓的穩(wěn)定性上升時間噪聲

在高分辨的能譜測量中，電荷靈敏前放的噪聲是能譜儀系統(tǒng)噪聲的一個重要組成部分。它的大小由輸入級場效應(yīng)管、輸入端總電容（反饋電容、探測器電容等）、輸入阻抗和輸入端漏電流決定。

FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/PFC

（3s）阻容反饋，零電容噪聲約幾百eV，光反饋可小到100eV；對于半導(dǎo)體能譜儀用的前置放大器，噪聲斜率一般為十幾至幾十eV/pF。在電荷靈敏前放中，輸出電壓脈沖幅度為變換增益在A0>>1時，輸出電壓脈沖幅度與輸入電荷和反饋電容有關(guān)。定義變換增益為

當(dāng)Cf小時，變換增益大，但要求Cf有良好的穩(wěn)定性。對于硅探測器，W=3.6eV，當(dāng)Cf為1pF時，ACE等于44mV/MeV。與僅用半導(dǎo)體探測器在10pF電容上輸出約為4.8mV/MeV相比較，可以看出，探測器輸出信號幅度經(jīng)過前置放大器后要大一個量級，相對于毫伏量級的一般干擾而言，前置放大器輸出信號的抗干擾能要強得多了。輸出電壓的穩(wěn)定性當(dāng)A0>>1時則Ci

、A0分別變化時，有其中，F(xiàn)=Cf/(Cf+Ci)=Cf/Ci稱為反饋系數(shù)。A0F為反饋深度。深度負(fù)反饋時（A0F>>1）上升時間前放輸出信號的上升時間與前放本身（放大器的上升時間，一般不超過幾十納秒）的上升時間、探測器電流脈沖持續(xù)時間以及探測器極間電容有關(guān)。一般小于200ns。如果前置放大器輸出信號的上升時間變化，經(jīng)過成形電路后，會引起信號幅度變化（在后面成形電路中會學(xué)到，被稱為彈道虧損）。因而會使系統(tǒng)的能量分辨率降低。但只要輸出信號的上升時間足夠?。╰R<200ns），其變化也必將更小，那么因此而引起的能量分辨率的變化可忽略。電流靈敏前置放大器要求：電路中的運算放大器為快放大器，頻帶足夠?qū)?，過渡過程足夠快。這樣有利于保持快的時間信號。為了避免信號傳輸中電纜不匹配造成的信號反射，要求在其連接處阻抗要匹配。在實際電路中通常為50。

由帶有電阻負(fù)反饋的快放大器組成。iD(t)-+io(t)=R1

iD(t)tWR1A傳輸電纜探測器和放大器距離要足夠短，避免震蕩探測器和放大器之間距離不得不加大的話，必須考慮阻抗匹配前放種類特點應(yīng)用注意事項電壓靈敏前放VoM=Q/Ci電壓幅度穩(wěn)定性較差慢計數(shù)系統(tǒng)、能量分辨要求較低的能譜測量系統(tǒng)電荷靈敏前放VoM=Q/Cf電壓幅度穩(wěn)定性較好能量分辨要求較高的能譜測量系統(tǒng)電流靈敏前放V(t)=Ri(t)電壓波形與探測器電流相同快計數(shù)系統(tǒng)、時間測量系統(tǒng)系統(tǒng)的時間分辨本領(lǐng)除了與所用探測器有關(guān)外，前放的噪聲也必須加以考慮。一般情況下，前放上升時間選為探測器上升時間的0.5-2倍之間。前置放大器的選擇

在實際應(yīng)用中，選擇前放要考慮探測器的種類來決定前放種類，同時注意前放上升時間