核電子學(xué)方法

§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號放大功能，故稱為前置放大器。

一、前置放大器的作用

從探測器輸出端獲得所需的電信號（能量、時間）；

預(yù)放大探測器的輸出信號，以獲得較好的信號噪聲比；

進(jìn)行阻抗變換，減少信號傳輸中的干擾。

使能量、時間的測量更加準(zhǔn)確1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2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(diǎn)，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(jìn)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3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)§4、積分型前置放大器4電壓靈敏前置放大器典型電路懷射極特跟隨器對正負(fù)脈沖都有較好的過渡特性當(dāng)輸入正脈沖時，T1電流變小，輸出電流如藍(lán)色箭頭方向當(dāng)輸入負(fù)脈沖時，T1電流變大，輸出電流如綠色箭頭方向C*為加速電容，正脈沖瞬間，T1電流減小，通過電容的耦合，降低T2的b,e極電壓，增加輸出電流。同理，負(fù)脈沖瞬間，c*會減少輸出電流。光電倍增管的輸出電路5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6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(fù)反饋放大器。

7另外，從放大器的輸入端看：由于密勒效應(yīng)，電容相當(dāng)于被放大了（1+A)倍Cif=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。

8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，電流電壓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>>19應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（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108—109Ω，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(fù)反饋以穩(wěn)定放大器直流工作點(diǎn)。（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）T2管采用共基電路的目的是為了減小因米勒效應(yīng)引起輸入電容的增加，使保持在很小值。10電荷放大大器的主主要性能能指標(biāo)1．電荷———電壓壓轉(zhuǎn)換增增益GQV：定義為單單位輸入入電荷產(chǎn)產(chǎn)生的輸輸出電壓壓幅度，，即若把探測測器也包包括在內(nèi)內(nèi)，定義義能量———電壓壓轉(zhuǎn)換增增益其中e為電子電電荷，等等于1.6×10-19庫侖，為為平平均電離離能，對對于硅半半導(dǎo)體探探測器，，則112．上升升時間(10%-90%)實(shí)際放大大器具有有一定頻頻帶寬，，對頻帶帶影響最最大的是是T2管集電極極電路，，考慮到到并并聯(lián)的還還有負(fù)載載電容，，放大器在在開環(huán)情況下，，可以計計算其上上升時間間為：構(gòu)成電荷荷靈敏放放大器后后，反饋系數(shù)數(shù)閉環(huán)時的上升時時間：通?？梢砸詽M足Ca=5pF,Ci=5pf,Cf=1pf,gm=5mA/V,則則有tr=13ns123．輸出電電壓穩(wěn)定定性我們要求求輸出電電壓幅度度盡可能能不隨開開環(huán)放大大倍數(shù)和和輸入電電容的變變化而變變化，可可以用輸輸出幅度度相對變變化來衡衡量其穩(wěn)穩(wěn)定性的的好壞。。為了提高高穩(wěn)定性性，可以以增大開環(huán)環(huán)增益A0，提高反饋饋系數(shù)F(減小Ci)。134．輸入入阻抗：：如果放大大器頻帶帶無限寬寬（低頻頻輸入））反饋回路路的阻抗抗對輸入入阻抗的的貢獻(xiàn)為為：因而輸入入電阻輸入電容容在考慮到到放大器器的頻帶帶有限情情況（高高頻輸入入）輸入電阻阻輸入電容容14盡管探測測器輸出出的每個個電信號號在電荷荷靈敏放放大器產(chǎn)產(chǎn)生的輸輸出電壓壓并不大大，但是是每輸出出一個信信號都在在Cf上積累起起來，雖雖然Rf能泄放其其上電荷荷，但tf=RfCf由于很大大，泄放放很慢，，就會造造成信號堆積積。5.動動態(tài)范圍圍和最高高計數(shù)率率15可以用坎坎貝爾(Campbell)定理來來計算輸輸出端平均直流流電平及其漲落:可以認(rèn)為Vo(t)的漲落服從高斯斯分布。16實(shí)際輸出電壓壓的瞬時值，，落在若希望99%的信號都被被放大，即要要求放大器動動態(tài)范圍不小小于若放大器變換換增益為440mV/1MeV,對對于能量為為1MeV的的粒子(平均均計數(shù)率為10kc/s)，動態(tài)范范圍要大于7V。17為了減小對動動態(tài)范圍的要要求，探測器器與電荷靈敏敏放大器之間間采用交流耦耦合這樣可以使直直流分量為零零，即動態(tài)范圍僅僅僅要求：交流耦合18電荷靈敏放大大器電路實(shí)例例阻容反饋式T3,T4組成復(fù)合跟隨器，以提高其輸輸入阻抗，實(shí)實(shí)質(zhì)上提高了了T2管集電電極的負(fù)載電電阻。C13自舉電路用以提高T2管R11、、R12支路路的阻抗，達(dá)達(dá)到增加開環(huán)環(huán)增益的目的的。W1用來調(diào)節(jié)T3管偏流，，通過它調(diào)節(jié)節(jié)輸出靜態(tài)工工作點(diǎn)，經(jīng)R5反饋調(diào)節(jié)節(jié)T1管的靜靜態(tài)偏置；W2調(diào)節(jié)T2管基極電位位,達(dá)到調(diào)節(jié)節(jié)管T1漏極極與源極間電電壓，使其有有合適的工作作點(diǎn)。輸入端有接探探測器輸出端端和檢驗端端二個接接頭。。圖中中反饋饋電容容C6接在在隔直直電容容C7的左左端。。若接接在右右端，，要求求增大大C7才能能減小小探測測器電電容的的影響響，接接在左左端就就不存存在這這個問問題了了。C*與與R9組成成自舉電電路，有效效地提提高了了T3管輸輸入阻阻抗，，從而而使T3管管增益益更接接近于于1。。C8與與R7并聯(lián)聯(lián)電路路反饋饋到管管發(fā)射射極用用以改改善其其過渡特特性。為了減減小各各放大大級之之間通通過電電源發(fā)發(fā)生內(nèi)內(nèi)耦合合，電電路中中采用用了多多級去去耦電電路，，以防防止振振蕩。。19為了防防止并并聯(lián)電電阻引引起的的噪聲聲，可可以不不用電電阻Rf對電容放放電，而而采用以下電電路原理：Vo超過過閾值發(fā)光柵流Ig增加加，放電電到下下閾值停止放放電脈沖光反反饋式20§5電流靈敏敏前置放放大器目的：輸出信號號在形狀狀上與探探測器電電流脈沖沖相接近近。要求：⑴前置放放大器輸輸入回路路的時間間常數(shù)非非常小，，一般要要求遠(yuǎn)小小于電流流脈沖的的寬度。。⑵放大器器頻帶很很寬，一一般要求求在幾百百兆赫茲茲以上。21電流靈敏敏前置放放大器實(shí)實(shí)現(xiàn)方法法電壓-電壓型放放大器在輸入端端并聯(lián)上上小電阻阻，在電電阻上形形成電壓壓信號。。電阻一般般選為50Ω，適合于信信號幅度度較大的的情況。。對V-V放大器要要求其上上升時間間很小，，一般在在ns量量級。22并聯(lián)負(fù)反反饋放大大器Vo(t)=iD(t)Rf電荷靈敏敏放大后后微分輸輸出電荷靈敏敏放大器器起到對對電流脈脈沖的積積分，若若再采用用微分電電路將其其恢復(fù)回回來。既可以獲獲得與電電荷量正正比的電電壓信號號，同時獲得得寬度與與輸入電電流相近近的窄脈脈沖,得到較窄窄脈沖，