第二章前置放大器課件

1、 內(nèi)容提要1. 概述 一.前置放大器的作用 二.前放的分類(按與配的探測器分類略)2. 電荷靈敏前放 一.主要特征 二.電荷靈敏前放基本電路和實例分析 三.電荷靈敏前放噪聲分析和抑制措施 四.電荷靈敏前放的改進（略） 五.電荷靈敏前放噪聲的實驗測量3. 電壓(靈敏)前置放大器4. 電流（靈敏）前置放大器（快前置放大器）第二章前置放大器基本內(nèi)容放大器的的作用和分類電荷靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器目的與要求(1)熟練掌握：電荷靈敏前置放大器的結(jié)構(gòu)和實例分析。 (2)掌握：電壓靈敏和電流靈敏前置放大器的特點。3前置放大器與探測器輸出直接相聯(lián)的電路稱為前置級，一般這部分電路具有信

2、號放大功能，故稱為前置放大器。 核輻射測量中，探測器輸出的信號往往較小，需要加以放大再進行測量。探測器-放大器系統(tǒng)的連接方式所示，其中放大器又分為前置放大器與主放大器兩部分。前置放大器（預(yù)放大器、前放）放在探測器附近，輸出經(jīng)高頻電纜與主放大器相連。4前置放大器的作用1.提高系統(tǒng)的信噪比在探測器與放大器連接處存在分布電容Cs。后面將證明，Cs越小，則系統(tǒng)的信噪比越高。減小Cs的一個主要措施就是將放大器盡量靠近探測器以減小連接導(dǎo)線造成的分布電容。如果把整個放大器和探測器安裝在一起，系統(tǒng)比較笨重，并且可能受到探測器周圍條件的限制，例如空間太小、核輻射太強等，常不便放置或操作。因此往往將放大器分為前置

3、放大器和主放大器。前置放大器的體積小，緊靠探測器并與探測器構(gòu)成一個整體 (稱探頭)，這樣就減小了Cs，提高了信噪比。主放大器則通過電纜和探頭相連，儀器本身以及使用人員的工作條件也就擺脫了現(xiàn)場條件的限制。 52.減少外界干擾的相對影響 前置放大器與探測器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干擾。前置放大器輸出的信號沿電纜傳送過程中受到干擾時，由于信號已經(jīng)過放大，干擾對信號的影響相對減小。為了減小外界干擾的影響，除了前置放大器要有良好的屏蔽以及足夠的放大倍數(shù)外，在傳送弱信號時，所用電纜也要有良好的屏蔽和噪聲性能，必要時還需使用低噪聲雙層屏蔽電纜或雙芯電纜如圖。后者要求主放大器為差分輸入。3.合理布局

4、，便于調(diào)節(jié)和使用(前放為非調(diào)節(jié)式,主放放大調(diào)節(jié)倍數(shù)、成形常數(shù))4.實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配 (前放設(shè)計為高輸入阻抗,低輸出阻抗)67信號的預(yù)放大探測器和前放的等效電路從放大器輸入端看的輸入電容Ci=CD+CS+Cai放大器輸入端電壓（忽略RD)CD為探測器輸出電容CS為分布電容Cai為放大器輸入電容8前置放大器的分類在時間和能量測量系統(tǒng)中，前置放大器分別側(cè)重于保留信號的不同特點，可以分為兩大類：積分型放大器電壓靈敏前置放大器對探測器信號先積分再放大電荷靈敏前置放大器放大和積分同時進行電流型放大器電流靈敏前置放大器保留輸入電流信號的形狀特征9電壓靈敏型前置放大器基本原理V-V 電壓放大器 探測器電流信

5、號在放大之前已被自然積分為電壓信號。探測器電流 iD(t)積分型前置放大器10電壓靈敏前置放大器的特性電路結(jié)構(gòu)簡單前放輸出電壓的幅度為VOM = AQ/Ci 而Ci=CD+CS+CAiCD 隨外加偏壓而變化；CS 隨引線長短、元件位置因素變化而變化，Cai 與放大器工作狀態(tài)有關(guān)。這些因素將使 VOM 的值在不同條件下發(fā)生變化，輸出電壓的精度不高，一般用在探測器輸出信號幅度較大，精度要求不高系統(tǒng)。如接在閃爍探測器后面。如果在輸入端并聯(lián)大的電容？ 幅度，噪聲11電荷靈敏前置放大器基本結(jié)構(gòu)和工作原理由高輸入阻抗、高增益的倒相放大器與一個反饋電容組成的負反饋放大器。 12另外，從放大器的輸入端看：由于

6、密勒效應(yīng)，電容相當(dāng)于被放大了（1+A)倍 C if = Ci + (1+A)Cf原電路可以等效成VOM 為輸出信號幅度，它僅僅決定于Cf 值和Q的大小，將不隨Ci 或A的不穩(wěn)定而變化，只要Cf 值恒定，輸出信號幅度保持與電荷量正比關(guān)系。 13應(yīng)該注意以下幾點：（1）與反饋電容并聯(lián)的電阻起到泄放上電荷的作用，一般取值為108109，太小了會增加噪聲，太大了起不到泄放作用。另一個作用是產(chǎn)生直流負反饋以穩(wěn)定放大器直流工作點。（2）探測器與放大器之間用電容起到隔直作用。一般取值為幾千pF量級。耐壓為幾千伏。3.電流靈敏前放(電流前放,并聯(lián)反饋電流放大器)圖2.1.5 1,2用于能譜測量, 3用于時間測

7、量. 2. 電荷靈敏前放 輸出增益穩(wěn)定、噪聲低、性能良好一主要特征1.變換增益(電荷靈敏度) 能量變換增益2.輸出穩(wěn)定性令 F= Cf /(Ci +Cf)Cf/Ci 若 A01, A0 F1。 A0 F足夠大時，穩(wěn)定。17輸出電壓穩(wěn)定性 我們要求輸出電壓幅度盡可能不隨開環(huán)放大倍數(shù)和輸入電容的變化而變化，可以用輸出幅度相對變化來衡量其穩(wěn)定性的好壞。為了提高穩(wěn)定性，可以增大開環(huán)增益A0 ，提高反饋系數(shù)F(減小Ci) 。 3輸出噪聲（能量噪聲半寬度） 例：能量噪聲半寬度 FWHM (Ge)=1Ke+0.03Ke/PF （無電容時等效噪聲能量半寬度 噪聲斜率） 4上升時間（tr）:輸入沖擊電流Q(t)

8、時上升時間（10%-90% VOM時間）, 101ns級 19 盡管探測器輸出的每個電信號在電荷靈敏放大器產(chǎn)生的輸出電壓并不大，但是每輸出一個信號都在Cf 上積累起來，雖然Rf 能泄放其上電荷，但tf = Rf Cf 由于很大，泄放很慢，就會造成信號堆積。 5. 動態(tài)范圍和最高計數(shù)率20可以用坎貝爾(Campbell)定理來計算輸出端平均直流電平及其漲落: 可以認(rèn)為Vo(t) 的漲落服從高斯分布。21實際輸出電壓的瞬時值，落在 若希望99%的信號都被放大，即要求放大器動態(tài)范圍不小于若放大器變換增益為440mV/1MeV, 對于能量為1MeV的粒子(平均計數(shù)率為10kc/s)，動態(tài)范圍要大于7V

9、。22為了減小對動態(tài)范圍的要求，探測器與電荷靈敏放大器之間采用交流耦合這樣可以使直流分量為零，即動態(tài)范圍僅僅要求：交流耦合三種組態(tài)的特點及用途共射極放大電路： 電壓和電流增益都大于1，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關(guān)系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。共集電極放大電路： 只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，輸入電阻最高，輸出電阻最小，頻率特性好?？捎糜谳斎爰?、輸出級或緩沖級。共基極放大電路： 只有電壓放大作用，沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關(guān)。高頻特性較好，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗的場合，模擬集成電

10、路中亦兼有電位移動的功能。 放大電路三種組態(tài)的比較25典型電路T1管為結(jié)型場效應(yīng)管，接成共源放大器。T2為共基放大器。T3管接成一個射極跟隨器作為輸出極。 T1管的變換增益 （T1管的跨導(dǎo)）T2管的變換增益T3管的變換增益 G3=1此放大器的開環(huán)增益為若 ，則A0 = 2500 1二電荷靈敏前放基本電路和實例分析圖2.2.51.電路分析（輸入級T1；放大級T2；輸出級T3、T4）偏壓及濾波；測試；反饋 正反饋R6C7改變輸出脈沖上升時間； 退耦LC、RC。2定量估算(1)開環(huán)增益A0 v0ve3ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2 A0=|VOM/ViM|=gmRa2=gmRa2/(

11、1-A3)3000倍(2)上升時間 tr0=2.2Ra2Ca2/(1+A0F)2.2Ca(Ci +Cf)/( gmCf)22ns圖2.2.6 路中加入中間放大級。 反饋的基本概念凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為反饋。若引回的信號削弱了輸入信號，就稱為負反饋。若引回的信號增強了輸入信號，就稱為正反饋。這里所說的信號一般是指交流信號，所以判斷正負反饋，就要判斷反饋信號與輸入信號的相位關(guān)系，同相是正反饋，反相是負反饋。1.概述HOME放大器輸出輸入取+ 加強輸入信號 正反饋 用于振蕩器取 - 削弱輸入信號 負反饋 用于放大器開環(huán)閉環(huán)負反饋的作

12、用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴展通頻帶。反饋網(wǎng)絡(luò)疊加反饋信號實際被放大信號反饋框圖：HOME負反饋框圖：基本放大電路Ao反饋回路F+輸出信號輸入信號反饋信號差值信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)差值信號HOME負反饋放大器的一般關(guān)系：基本放大電路Ao反饋回路F+當(dāng)AoF1時，反饋深度結(jié)論：當(dāng) AoF1 很大時，AF 只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負反 饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。HOMEAoF1 為深度負反饋電荷靈敏前置放大器的噪聲分析和抑制措施 高分辨率能譜測量裝置中，要求探測器-放大器系統(tǒng)具有良好的信噪比。下面結(jié)合半導(dǎo)體探測器和結(jié)型場效應(yīng)管輸入放大級構(gòu)成的系統(tǒng)進行討論。前

13、者的應(yīng)用范圍廣、固有能量分辨率好，后者的噪聲小，所以這種系統(tǒng)在能量測量中具有典型意義。此外，在放大器中只考慮前置放大器第一級產(chǎn)生的噪聲，因為這些噪聲得到后面各級的放大，往往起著決定性的作用。并聯(lián)噪聲（與探測器電流信號并聯(lián)）：探測器漏電流噪聲（半導(dǎo)體探測器）場效應(yīng)管柵極電流噪聲偏壓電阻RD 熱噪聲泄放電阻Rf 熱噪聲串聯(lián)噪聲（與探測器電流信號串聯(lián)）：場效應(yīng)管的溝道熱噪聲場效應(yīng)管的低頻噪聲 3. 探測器和電荷靈敏放大器輸入電路的噪聲分析 電荷靈敏放大器輸入電路的噪聲分析 探測器漏電流噪聲偏壓電阻熱噪聲 場效應(yīng)管柵極電流噪聲 場效應(yīng)管溝道熱噪聲 場效應(yīng)管低頻噪聲反饋電阻Rf 熱噪聲串聯(lián)噪聲源等效到并

14、聯(lián)噪聲的等效關(guān)系我們可以把串聯(lián)噪聲源等效到并聯(lián)噪聲，得到按噪聲電流和頻率關(guān)系可分為三部分， 其中， 電荷靈敏放大器輸入電路的噪聲分析 電荷靈敏放大器輸入電路的噪聲分析 將噪聲等效到輸出端，噪聲功率譜密度：降低噪聲的方法：器件選擇低頻噪聲小的器件；選擇柵極漏電流小的場效應(yīng)管熱噪聲與R成反比，RD和Rf 電阻值取大一些，或用其它方法放電，選用低介質(zhì)損耗的電容；減少冷電容；選擇合適的反饋電容環(huán)境探測器的反向漏電流在低溫下可以降低降低溫度，減少熱噪聲；濾波網(wǎng)絡(luò)42為了防止并聯(lián)電阻引起的噪聲，可以不用電阻Rf 對電容放電，而采用以下電路原理：Vo超過閾值發(fā)光柵流Ig增加，放電到下閾值停止放電脈沖光反饋式

15、43電流靈敏放大器的特點響應(yīng)快，可以獲得精確的時間信息，也可以由波形分辯粒子；上升時間和脈沖寬度都較窄，有利于高計數(shù)率測量；可以用于能譜測量系統(tǒng)，特別是在需要選通測量的時候。噪聲的測量 噪聲測量噪聲的測量 標(biāo)定測量分析儀器 多道幅度分析儀 已知能量的放射源（例如56Fe，有5.89KeV和6.59KeV二個X射線）通過探測器，此系統(tǒng)測量能譜用來標(biāo)定多道分析器得到二條譜線，求得每道對應(yīng)的能量值。移去放射源。由精密脈沖源輸入固定幅度的信號，這時測得的幅度譜的半高寬就代表了噪聲的線寬 為了保證測量精度，在標(biāo)定幅度分析器和測量噪聲線寬時，應(yīng)調(diào)節(jié)好系統(tǒng)的增益和輸入信號幅度，使每個峰的半高寬不少于一定的道

16、數(shù)；每個峰的最高計數(shù)道的計數(shù)也要夠高。國際電工委員會推薦的數(shù)據(jù)是：每個峰的半高寬至少要有20道，每個峰的最高計數(shù)道不少于1O000個計數(shù)。一般取78道以及幾千個計數(shù)。 如果要測量除探測器外的電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲，測量時應(yīng)將探測器和前置放大器的連線斷開。 精密脈沖發(fā)生器輸出的信號應(yīng)滿足以下要求：上升要夠快，上升時間不大于主放大器中最短微分時間常數(shù)的20；衰減要慢，在主放大器輸出脈沖達到峰值時刻，衰減不超過其高度的2。推薦的數(shù)據(jù)是上升時間小于20ns，衰減時間常數(shù)大于100 s。輸入端定標(biāo)龜容器Cc最好選用三端型電容器，這種電容器有一屏蔽端，使用時接地。電容Cc一般安裝在前置放大器內(nèi)，其值可取lpF。

17、 測量用電壓表的上限頻率至少要為成形網(wǎng)絡(luò)頻率特性中心頻率的l0倍，以保證把放大器輸出端各種噪聲分量都包括在內(nèi)。電壓表的3dB帶寬一般應(yīng)在10MHz以上。應(yīng)當(dāng)注意，一般電壓表響應(yīng)于輸入信號的整流平均值，并按純正弦輸入信號刻度為有效值。用這種電壓表測量噪聲時，其讀數(shù)乘以1.13才是所測噪聲電壓的有效值。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有偏置放大器(或稱閾放大器、切割放大器)，只放大超過偏置電壓的那部分信號時；或者系統(tǒng)內(nèi)有基線恢復(fù)器，改變了噪聲特性時，無信號輸出時的輸出噪聲不同于有信號輸出時疊加在輸出信號峰值附近的噪聲，所以不能用電壓表方法而只能甩多道分析器方法測量噪聲。50電壓靈敏型前置放大器基本原理V-V 電壓放大器

18、 探測器電流信號在放大之前已被自然積分為電壓信號。近似認(rèn)為探測器電流 iD(t)=Qd(t)51電流靈敏前置放大器實現(xiàn)方法電壓-電壓型放大器 在輸入端并聯(lián)上小電阻，在電阻上形成電壓信號。電阻一般選為50，適合于信號幅度較大的情況。對V-V放大器要求其上升時間很小，一般在ns量級。 為了提高工作穩(wěn)定性，并改善上升時間，采用了一定的負反饋。此時放大器增益：A=v0/vi=(R2+R1)/R1 一般說來，電壓靈敏前置放大器的噪聲要比電荷靈敏前置放大器的噪聲大，因此往往不直接作為前置級；但作為電荷靈敏前置放大器的后繼電路，可使信號電壓進一步放大。理想集成運放工作于線性區(qū) 理想運放工作于線性區(qū)： “虛短”：運放的同相輸入端和反相輸入端的電位“無窮”接近，好象短路一樣，但卻不是真正的短路。 “虛斷”：運放的同相輸入端和反相輸入端的電流趨于0，好象斷路一樣，但卻不是