第3-4章 前置放大器、譜儀放大器

1、1核儀器概論2第三章第三章 前置放大器前置放大器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 探測器與前置放大器連接的等效電路圖 若RiCiIo(t)的持續(xù)時間時， V(t)的幅度與Io(t)的積分成正比，即與入射粒子的能量成正比。3一、 電壓靈敏前置放大器電壓+-Vo Vi CD Cs CA ii 探測器 電壓靈敏前置 放大器電壓放大器o Mi MVVQ/iMiVQ CCi=CD+CA+CS0wtiQidtiivivo電壓靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器（上述電路忽略了Ri ）第二節(jié)第二節(jié) 譜儀前置放大器的類型譜儀前置放大器的類型4放大器輸入電容CA可能由于輸入級增益不穩(wěn)定而變化。使用P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器時，如偏

2、壓不穩(wěn)，則結(jié)電容CD將發(fā)生變化等。 當(dāng)Ci不穩(wěn)定時，輸出電壓幅度VoM也不穩(wěn)定，在能譜測量中，這將使系統(tǒng)的能量分辨率降低。 所以電壓靈敏前置放大器一般只適用于能量分辨率比較低的譜儀系統(tǒng)。例如，用閃爍探測器的幅度或能譜測量系統(tǒng)。電壓靈敏前置放大器的問題： 輸入端總電容Ci可能是不穩(wěn)定的。如：5 二、電荷靈敏前置放大器 具有良好的低噪聲性能。目前高分辨率能譜測量系統(tǒng)(如：各種半導(dǎo)體譜儀)中使用的幾乎都是電荷靈敏前置放大器。 1、電荷靈敏前置放大器的工作原理6若：AO為開環(huán)放大倍數(shù)。00( )(1)oOMOifoifA QA QVVCCA C 其中 Q為輸入電荷， Cifo = Ci+(1+Ao)C

3、f0wtiQidt+-CfifCivfvoiiviCifotw0A-+7如果滿足 AoCf CiCf OMfQVC則 實際上反饋電容Cf可以足夠穩(wěn)定，所以輸出幅度VoM反映了輸入電荷Q的大小且與Ci無關(guān)。鑒于這一特點，我們將這種前置放大器稱為電荷靈敏前置放大器。 只要Cf保持恒定不變，不論Ci 、Ao是否穩(wěn)定，輸出電壓幅度對輸入電荷的“放大倍數(shù)”都是穩(wěn)定的。（實際上 Ci：幾十pf 上百pf Ao：幾千 )82、電荷靈敏前置放大器的實用電路 電荷靈敏前放的實用電路形式有多種，阻容反饋型是最常用的一種。1）、 原理電路Vo Rf Cf Vi +H .V ii =Q(t)D RD CT1 (a)交

4、流耦合電路Vo Rf Cf Vi - H .V ii =Q(t)D (b)直流耦合電路 CfRf 構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)（Rf 為Cf 提供放電回路），因此稱這種型式的前置放大器為阻容反饋電荷靈敏放大器。92）、噪聲簡介Vo Rf Cf Ci = CD +Cs +CA RDdiDL2diRf2ii-AdiRD2diTL2dVTC2探測器漏電流噪聲 電阻RD熱噪聲 場效應(yīng)管柵極漏電流噪聲 場效應(yīng)管溝道噪聲 電阻Rf熱噪聲a、前置放大器的主要噪聲源：Vo Rf Cf +H .V D RD C1022DLTCdidV對噪聲表示方法（如： 、 ）的解釋： 噪聲的平均功率： 即噪聲電壓或噪聲電流在1電阻上產(chǎn)生的平

5、均功率。 2pi2pv或其中：S()稱為功率譜密度 是各頻率分量平均功率之和：0( )psdp22( )d psddvdi1122241()3amfkgCTdVdC2221412 () 2/bDgDffkTdVe IIdRRC 上述各噪聲源：場效應(yīng)管溝道噪聲被稱為“串聯(lián)噪聲”，又稱a噪聲。其余各噪聲源被稱為“并聯(lián)噪聲”，又稱b噪聲。 從上式可見：C越小，a噪聲越小。因此前放與探測器 靠得越近，放大器的總噪聲越小。2adV2bdVOVfRfCiCiiA()DASfCCCCC(k：波爾茲曼常數(shù)。T：絕對溫度)12 3）、主要性能指標(biāo)（1）、靈敏度定義1： 電荷靈敏前放輸出電壓信號VOM與輸入電荷量

6、Q的比。用符號ACQ表示。（Cf小，可得到較大的變換增益，但Cf要有良好的穩(wěn)定性。）/1/CQOMfAVQC電荷靈敏度。 13定義2： 探測器材料沉積的每MeV能量在放大器輸出端可得到多少mV信號，用符號ACE表示。對硅探測器：Cf 1pf 時, ACE 44mv/MeV Cf 0.1pf 時，ACE 440mv/MeV（其中e為電子電荷，W為 探測器的平均電離能。）或（室溫下的硅(Si)： W3.61eV 低溫（77K）下的鍺（Ge）: W=2.96eV ）/CEOMAVE/CEfAe WC能量靈敏度。 14a、前放的噪聲通常是：將放大系統(tǒng)（包括：探測器、前放、主放）輸出端的噪聲（用Von表

7、示）折合到前放的輸入端的等效噪聲。 給出電荷靈敏前放的噪聲指標(biāo)之前幾個概念應(yīng) 先講述清楚。（2）、噪聲指標(biāo)15b、電荷靈敏前置放大器的噪聲指標(biāo)，通常是用 等效噪聲能量線寬FWHMNE的概念給出的。相對計數(shù)ENE ENE1.000.610.500FWHMNE能量 以上是高斯形噪聲能譜曲線，圖中ENE為折算到前放輸入端的等效噪聲能量。其半高寬被稱為等效噪聲能量線寬，用FWHMNE表示。16 和前置放大器的噪聲源有關(guān)。 與探測器所用材料有關(guān)。（鍺和硅的平均電 離能不同） 和主放大器中的濾波器形式及時間常數(shù)有關(guān)。 （后面講） d、 FWHMNE的值主要與哪些因素有關(guān)？FWHMNE2.355 ENE。單

8、位為eV。ononOCEOCQVVENeEWAAAA（Ao為主放的電壓增益）c、等效噪聲能量線寬的計算方法: 17 所以在具體給出某一系統(tǒng)的噪聲線寬時，必需說明主放大器中使用什么樣的濾波器和多大的時間常數(shù)（道理后面講）。同時還應(yīng)注明探測器的材料是鍺還是硅。例如：CR-RC成形，時間常數(shù)10s， 噪聲線寬為200eV(Si)。18零電容噪聲： 表示前置放大器的固有噪聲，即不帶探測器、 不外加電容時的噪聲。噪聲斜率： 定義為前置放大器輸入端對地之間每外加1pF 電容時噪聲增加多少。噪聲斜率用來估計在接 上探測器時，它的極間電容對噪聲的影響。產(chǎn)品說明中給出的噪聲指標(biāo)： 由于探測器前置放大器系統(tǒng)的噪聲

9、與C有關(guān)，即與探測器電容CD有關(guān)。所以電荷靈敏前置放大器的噪聲指標(biāo)往往分兩項給出：19 右圖給出一個典型的電荷靈敏前放其噪聲與輸入端外加電容的關(guān)系。 對于半導(dǎo)體能譜儀用的放大器， 零電容噪聲：約幾百eV。（對“阻容反饋”的 電荷靈敏前放） 噪聲斜率： 十幾至幾十eVpF。20（3）最大的能量平方與計數(shù)率的乘積（E2CRP） 或最大的能量與計數(shù)率的乘積（ECRP） 阻容反饋的電荷靈敏前放輸出信號的后沿衰減很慢，其衰減時間常數(shù)為：f =Cf Rf ，（通常為數(shù)百S或更大）。因此，即使計數(shù)率不高，信號也會產(chǎn)生明顯的“堆積” ，堆積后的輸出電壓瞬時值Vo如下圖。0tVof = Cf Rf 不難理解，被

10、測射線能量越高、計數(shù)率越高，Vo 越大。當(dāng)Vo 達(dá)到一定值時，前置放大器將會過載。21 因此，電荷靈敏前放指標(biāo)中會給出E2CRP或 ECRP這一指標(biāo)。 如果，產(chǎn)品說明書給出E2CRP的指標(biāo)，則在給定被測信號能量的情況下 ，用E2CRP/ E2即可得到此系統(tǒng)能測信號的最高計數(shù)率。 如果，產(chǎn)品說明書給出ECRP的指標(biāo)。則在給定被測信號能量的情況下 ，用ECRP/ E即可得到此系統(tǒng)能測信號的最高計數(shù)率。22 ORTEC Model 142A、142B、142C 具有低噪聲、快上升時間的電荷靈敏前置放大器， 適用于測量帶電粒子或重離子的半導(dǎo)體探測器。 外接電纜插座有五個：探測器信號輸入、測試信號輸入、

11、兩個放大器信號輸出（用于能量測量的慢信號及用于時間測量的快信號）、探測器使用的高壓偏置電源（最大可加1000V）。第三節(jié)第三節(jié) 電荷靈敏前置放大器產(chǎn)品說明舉例電荷靈敏前置放大器產(chǎn)品說明舉例23 性能指標(biāo)：（142A為例） 變換增益：45mv/MeV（對Si 探測器） 噪聲特性：探測器電容為0pf 時，前放等效輸入噪聲為1.6keV。探測器電容為100pf 時，前放等效輸入噪聲為3.4keV。（放大器：ORTEC572，時間常數(shù)：2S） 最大的能量平方與計數(shù)率的乘積（E2CRP）： 1.5X107MeV2/S。24適用的能量范圍：0200MeV。推薦的輸入電容的范圍：0100Pf。輸出信號的上升

12、時間： (終端帶有93負(fù)載，輸出電壓信號05V） 探測器電容為0pf 時，5ns。 探測器電容為100pf 時，12ns輸出信號的衰減時間：一般為500S。積分非線性： 0.03（輸出端開路，輸出電壓 信號07V?；蚪K端帶有93負(fù)載，輸出電壓 信號03.5V）探測器偏置電壓：最大為1000V。 25第四節(jié)第四節(jié) 能譜測量時，能譜測量時，前置放大器的選取原則前置放大器的選取原則閃爍探測器： 一般選用電壓靈敏放大器。 因閃爍探測器本身輸出信號幅度大（通常可達(dá)幾百mV或伏的量級）、能量分辨率較低（最好為67），因此對前放的噪聲性能一般無特殊要求。且不需要放大器有高的電壓增益。 如上述ORTEC Mo

13、del 113就是性能價格比較好的選擇。1、首先，看前面已選用了什么類型的探測器。 一般來講：26 因為這些探測器輸出信號小（如mV、或0.幾mV），且本身具有很好的能量分辨率。因此要求放大器輸入等效噪聲要小，增益穩(wěn)定性要好。 如上述ORTEC Model 142系列的前放。半導(dǎo)體探測器（包括Si(Li)探測器、鍺探測器、硅帶電粒子探測器）、氣體正比計數(shù)器通常要選用低噪聲及增益穩(wěn)定性優(yōu)良的電荷靈敏放大器。272、選擇前置放大器時要考慮的其它因素 探測器輸出信號的大小提出對放大器增益要求。 探測器分辨率特性提出對放大器的噪聲要求。 探測器的結(jié)電容大小，影響對放大器噪聲斜率 的要求。 根據(jù)被測信號

14、的能量范圍、被測信號的計數(shù) 率。對前放的計數(shù)率特性提出要求。 是否需要通過前放給探測器加入偏壓，加入多 大的偏壓。 實用中對放大器的線性、穩(wěn)定性要求。 價格等因素。等 28 對前放輸出的電壓信號進(jìn)一步放大。 用多種方法對信號進(jìn)行處理。 幾種常用的處理方法如下： 第四章第四章 譜儀放大器譜儀放大器譜儀放大器又稱主放大器,主要任務(wù)為： 濾波與成形 基線恢復(fù) 堆積判棄目標(biāo)：使譜儀有盡量好的能量分辨率。29 第一節(jié) 濾波和成形1、濾波和成形的必要性 譜儀放大器必須接收來自前置放大器的信號。 左圖（a）畫出了從阻容反饋型前放來的典型的輸出脈沖形狀。30分析此信號：迅速上升的跳變前沿： 其跳變幅度代表被探

15、測射線的能量。此信息通過主放大器后必須完整的保留。a、慢的指數(shù)衰減（可能有50S或更大）的后沿： 不利于信號的進(jìn)一步放大，也不能滿足后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對輸入信號形狀的要求。因此主放必須對其形狀進(jìn)行改造。如上圖（b）。b、 從時域看：主放接收前放的信號并將其成形以滿足后續(xù)電路的要求。此功能被稱之為“成形” 。31信號中包含有噪聲。c、 從頻域看：要求譜儀放大器要具有合適的頻率響應(yīng)。以使得帶有噪聲的前放輸出信號經(jīng)主放后，盡量濾去噪聲的各頻率成分，而保留有用信號的各頻率成分。最終提高信噪比。此功能可被稱之為“濾波”。322、介紹幾種常用的濾波成形電路原理（1）CR-RC脈沖成形 、成形原理 如上圖。

16、前放輸出信號首先通過CR高通濾波（又稱：CR微分器），這將通過衰減低頻成分（其中包括許多噪聲和非常小部分的信號）而改善信噪比。脈沖的衰減時間通過這個濾波器也變短了。33 脈沖到達(dá)放大器輸出端之前，它要通過RC低通濾波（又稱：RC積分器），如下圖。通過它可衰減高頻成分（其中包括很多的噪聲）而改善信噪比。34 下圖表示在放大器中，將高通與低通濾波器結(jié)合在一起使用的情況。 設(shè)高通濾波器中的微分時間常數(shù)為D(DCDRD)，低通濾波器中的積分時間常數(shù)為i(iCiRi)，通常令=Di。35 上圖中，放大器接收前放來的信號后，最終得到一個如圖所示的輸出脈沖。脈沖的上升沿變慢并在1時達(dá)到它的最大幅度。衰減返回

17、到基線的時間主要由CR微分電路的時間常數(shù)決定。由于前放輸出信號本身有一長的衰減時間，因此會有一個小的幅度下沖。下沖的起始點大約在7。這個下沖衰減再返回到基線用一個很長的時間常數(shù)（由前放輸出脈沖的衰減時間常數(shù)決定）。36前放的輸出信號經(jīng)過如此處理后：a、經(jīng)推導(dǎo)，成形后脈沖峰值如下式。與輸入電荷 量Q成正比。保留了輸入信號中的有用信息。 OMfQVe Cb、基本形狀變窄了。前放輸出信號的衰減時間常 數(shù)為CfRf，成形后脈沖的衰減時間常數(shù)為CR。 （前者50S 或更大，后者一般為幾S量級） (e2.7)c、電路有高低通的濾波作用，可有效的抑制來自 前放的信號中的噪聲，提高信噪比。37可用于閃爍探測器

18、譜儀，應(yīng)被選擇成至少為 3倍的閃爍體的衰減時間常數(shù)。CR-RC濾波成形的應(yīng)用：用于半導(dǎo)體探測器的譜儀： 硅帶電粒子探測器，約為0.51S。 鍺和Si（Li）探測器，一般約為在620S。 這樣長的時間常數(shù)對整個譜儀允許接受的最高計數(shù)率下降。因此有時會采用小一些的時間常數(shù)，犧牲信噪比性能以適應(yīng)更高的計數(shù)率要求。38FH1047A型電荷靈敏前置放大器（北京核儀器廠生產(chǎn)）型電荷靈敏前置放大器（北京核儀器廠生產(chǎn)）主要用途 本儀器配合金硅面壘半導(dǎo)體探測器在室溫條件下可與有關(guān)插件配成譜儀。它用N溝道場效應(yīng)管作為輸入管。主要技術(shù)性能1靈敏度： 11012V/庫侖 或40mV/MeV(Si)。2噪聲特性： A型：2.2keV+0.05keV/pF 半寬度（Si）， (典型值：1.5keV+0.04keV/pF)。 3輸出脈沖上升時間 30ns (外接電容為零)。4最大線性幅度輸出范圍：+2V（負(fù)載為1k）。使用環(huán)境溫度范圍：050相對濕度：90%課堂討論：39FH1048A型電壓靈敏前置放大器（北京核儀器廠生產(chǎn)）型電壓靈敏前置放大器（北京核儀器廠生產(chǎn)）主要用途 本儀器與有關(guān)插件配合，用于光電倍增管、正比計數(shù)管等探測器的輸出，作前級放大使用。主要技術(shù)性能1放大倍數(shù)： 5倍。