電荷靈敏前置放大器的特點

1、.前置放大器前置放大器.核輻射探測器輸出信號幅度核輻射探測器輸出信號幅度用半導體探測器對能量E0為1MeV的射線進行測量，分析輸出電壓信號幅度的量級（設探測器的結(jié)電容C0為10pF）。mV8 . 4000wCeECenV.核電子學中信號的放大核電子學中信號的放大放大通常分為預放大預放大（由前置放大器前置放大器完成）和主放大主放大（由脈沖放大器脈沖放大器完成）。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：噪聲：由電子器件本身產(chǎn)生的干擾：干擾：來自外部因素交流電網(wǎng)的工

2、頻（我國為50赫）干擾；電視和無線電廣播干擾；大功率設備的電磁場干擾；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措施，外部干擾通常可以減小到次要程度 .噪聲的特點及表示方法噪聲的特點及表示方法 噪聲是由所采用的元器件本身元器件本身產(chǎn)生的，原則上可以設法減小但無法完全消除。 噪聲屬于隨機過程隨機過程，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。 TTttVTV02n2nd)(1lim.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nVV信噪

3、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： )ENV(inooVVV等效噪聲電壓(ENV).核電子學中的噪聲核電子學中的噪聲在核電子學中遇到的噪聲主要有三類：散粒噪聲散粒噪聲、熱噪聲熱噪聲和低頻噪聲低頻噪聲（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散粒噪聲。 熱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散粒噪聲和熱噪聲的比較來源不同點相同點散粒噪聲

4、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fRkTid/4d2feIid2d2.核電子學中噪聲的來源核電子學中噪聲的來源核輻

5、射測量儀器中很多器件如探測器探測器、晶體管晶體管和電阻電阻等都會產(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，其中探測器探測器和前置放大器第一級器件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，影響也就最嚴重。.探測器中的噪聲探測器中的噪聲半導體探測器半導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)電阻并聯(lián)電阻Rp的熱噪聲的熱噪聲，Rp是耗盡層或補償層的電阻串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs的熱噪聲的熱噪聲，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探測器漏電流ID的散粒噪聲的散粒噪聲 對于面壘型探測器，Rp約為108-109，在低溫下工作的P-I-N探測器， R

6、p可達1012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。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。iDCDRpvo(t)Rs.探測器中的漏電流噪聲探測器中的漏電流噪聲半導體探測器的漏電流主要由三部分組成：結(jié)周圍產(chǎn)生的漏電流結(jié)周圍產(chǎn)生的漏電流：如半導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環(huán)結(jié)構(gòu)，這種噪聲可大大降低通過表面純化和采用保護環(huán)結(jié)構(gòu)，這種噪聲可大大降低。P區(qū)和區(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)生的電子結(jié)區(qū)內(nèi)因熱激發(fā)產(chǎn)生的

7、電子空穴對所造成的反向電流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。低溫運用可以降低探測器的噪聲。 散粒散粒噪聲噪聲.第一級放大器的噪聲第一級放大器的噪聲第一級放大器：第一級放大器：噪聲性能優(yōu)越的結(jié)型場效應管（結(jié)型場效應管（JFET：Junction Field Effect Transistor）通過擴散或其它工藝，在一塊N型(或P型)半導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)半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極(S)和

8、漏極(D)。中間的N區(qū)(或P區(qū))是電流的通道，稱為導電溝道(簡稱溝道)。這種結(jié)構(gòu)的管子稱為N溝道(或P溝道)結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管。摘自模擬電子技術(shù)基礎（第三版），華成英主編，高等教育出版社，2001.場效應管工作在低溫下，噪聲降低，有利于提高信噪比。場效應管工作在低溫下，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管的主要噪聲源。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管的主要噪聲源。共源接法.核電子學中噪聲小結(jié)核電子學中噪聲小結(jié) 噪聲與干擾噪聲與干擾 噪聲：電子器件內(nèi)部產(chǎn)生 干擾：來自于外部 散粒噪聲與熱噪聲散粒噪聲與熱噪聲 散粒噪聲：載流子數(shù)目漲落

9、熱噪聲：載流子熱運動 核電子學噪聲的主要來源核電子學噪聲的主要來源 探測器的反向電流：1/f、散粒噪聲（工藝措施、低溫低溫） 前置放大器的第一級放大器場效應管：熱噪聲（低溫低溫）.核電子學中信號的放大核電子學中信號的放大放大通常分為預放大預放大（由前置放大器前置放大器完成）和主放大主放大（由脈沖放大器脈沖放大器完成）。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.前置放大器的作用前置放大器的作用 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現(xiàn)場條件的限制； 實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配。拓展內(nèi)容：為什么

10、電荷前置放大器電荷前置放大器的噪聲與輸入端的“冷電容冷電容”有關(guān)？.前置放大器的分類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電壓靈敏前置放大器 iiMCQV其中W0Dd)(tttiQ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 iD(t)CDCSCA- 電壓放大器+ViM=QCiVOM= AViM Q探測器電壓靈敏前置放大器Vo(t)Vi(t)tW.電壓靈敏前置放大器的特點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

11、差。輸入總電容Ci與CD、CA、CS有關(guān)。當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對輸出電壓脈沖幅度穩(wěn)定性電壓靈敏前置放大器只適用于對輸出電壓脈沖幅度穩(wěn)定性要求不高的要求不高的低能量分辨系統(tǒng)低能量分辨系統(tǒng)。.交流耦合：隔直電容100pF-1nF ，遠大于探測器本身電容CD脈沖尾部指數(shù)下降，放電時間由CiR/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。121iMoMRRRVViD(t)R1+ A- ViM高壓R C R2 Z0RLiLLCRRRRZ0 .電荷

12、靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器f0i0if0iMoM)1 (CACQACQAAVVA0Cf Ci+ Cf 則 VoM Q/CftWvoM= Q/Cfvo(t)iD(t)-A+vo(t)CiCf.電荷靈敏前置放大器的特點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。vo(t)t.阻容反饋電荷靈敏前置放大器阻容反饋電荷靈敏前置放大器 衰減時間常數(shù)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

13、的存在，所以電荷由于反饋電阻的存在，所以電荷靈敏前置放大器的靈敏前置放大器的輸出包括一個輸出包括一個時間常數(shù)為時間常數(shù)為RfCf的衰減部分的衰減部分。iD(t)-A+vo(t)CiCftWVoM= 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之一。vo(t)ttvo(t).光反饋電荷靈敏前置放大器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微分與選通微分與選通VSvo LEDIL施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器V

14、HvoVLVSILvo QCf 工作時間工作時間 恢復時間恢復時間電荷靈電荷靈敏前放敏前放.電荷靈敏前置放大器的主要特性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管、輸入端總電容（反饋電容、探測器電容、分布電容等）、輸入阻抗和輸入端漏電流決定。 FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/PF C （3s）阻容反饋，零電容噪聲約幾百阻容反饋，零電容噪聲約幾百eV，光反饋可小到，光反饋可小到100eV；對于半導體能譜儀用的前置放大器，噪聲斜率一般為十幾對于半

15、導體能譜儀用的前置放大器，噪聲斜率一般為十幾至幾十至幾十eV/pF。.在電荷靈敏前放中，輸出電壓脈沖幅度為f0i0oM)1 (CACQAV變換增益變換增益在A01時，輸出電壓脈沖幅度foMCQV與輸入電荷和反饋電容有關(guān)。.定義變換增益為 fCQ1CA 當Cf小時，變換增益大，但要求Cf有良好的穩(wěn)定性。foMCEwCeEVA對于硅探測器，W=3.6eV，當Cf為1pF時，ACE等于44mV/MeV。 與僅用半導體探測器在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抗干擾能要強得多

16、能要強得多了。 .輸出電壓的穩(wěn)定性輸出電壓的穩(wěn)定性當A01時則Ci 、A0分別變化時，有000oMoMd1dAAFAVVii0oMoMd1dCCFAVV其中，F(xiàn)=Cf/(Cf+Ci)=Cf/Ci稱為反饋系數(shù)。A0F為反饋深度。iioMoM00oMoMdd,ddCCVVAAVV深度負反饋時（ A0F1）.上升時間上升時間 上升時間是指輸入一個階躍電壓信號時輸出電壓信號脈沖前沿由幅度的10%變化到90%的時間。 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。.電流靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器

17、要求：l 電路中的運算放大器為快放大器快放大器，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。l 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阻抗要匹配。在實際電路中通常為50。 由帶有電阻負反饋電阻負反饋的快放大器快放大器組成。 vo(t)=R1 iD(t) tW-+AiD(t)R1Ci.探測器和放大器距離要足夠短，避免震蕩1Do)()(RtitviD(t)- A+ R1 Z0R C-高壓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