核電子第2章++前置放大器

第二章前置放大器

內容提要

§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）

§1.概述

一.前置放大器的作用

前置放大器（預放大器、前放）放在探測器附近，輸出經高頻電纜與主放大器相連。

1.提高系統的信噪比圖2.1.1

（前放緊靠探測器，傳輸線短，分布電容Cs減小,提高了信噪比）

2.減少外界干擾的相對影響圖2.1.2

(信號經前放初步放大.)

3.合理布局,便于調節與使用

(前放為非調節式,主放放大調節倍數、成形常數)

4.實現阻抗轉換和匹配

(前放設計為高輸入阻抗,低輸出阻抗)

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二.前放的分類(按與配的探測器分類略)

按探測器輸出信號成形方式的特點分類:

1.電壓靈敏前放(電壓放大器)圖2.1.3

Ci=CD+CS+CA

VoM∝ViM∝Q

2.電荷靈敏前放(帶有電容負反饋的電流積分器)圖2.1.4

Cf穩定VOM穩定

3.電流靈敏前放(電流前放,并聯反饋電流放大器)圖2.1.5

1,2用于能譜測量,3用于時間測量.

§1習題（P56—57):2.1§2.電荷靈敏前放

輸出增益穩定、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.輸出穩定性

令F=Cf/(Ci+Cf)≈Cf/Ci

若A0>>1,A0F>>1。

A0F足夠大時，穩定。

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Qδ(t)時上升時間（10%-90%VOM時間）,101ns級

5．計數率效應：堆積，輸出動態范圍，最高計數率問題。

圖2.2.2

圖2.2.3

圖2.2.4

BACKBACK二．電荷靈敏前放基本電路和實例分析

圖2.2.5

1.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)開環增益A0

v0≈ve3≈ic2Ra2=-ic1Ra2=-gmviRa2

A0=|VOM/ViM|=gmR’a2=gmRa2/(1-A3)≈3000倍

(2)上升時間

tr0=2.2Ra2Ca2/(1+A0F)≈2.2Ca(Ci+Cf)/(gmCf)≈22ns

圖2.2.6

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BACK三．電荷靈敏前放噪聲分析和抑制措施

1．前放串聯噪聲和并聯噪聲(圖2．2.7)

噪聲源：探測器漏電流ID噪聲、電阻RD熱噪聲、場效應管柵極電流Ig噪聲、場效應管溝道熱噪聲、場效應管閃爍噪聲、反饋電阻熱噪聲。

(1)并聯電流噪聲源(di2）

(2)串聯電壓噪聲源(dv2)

di2=(ωCΣ)2dv2的證明圖2.2.8

2.a噪聲和b噪聲和c噪聲（頻率的依賴關系）

a噪聲—與ω2成正比的并聯電流噪聲；b噪聲—無關

c噪聲—與ω成正比的輸入并聯電流噪聲。

輸入總并聯電流噪聲：

輸出總電壓噪聲：

=(a2+b2/ω2+c2/ω2)dω

3、降噪措施

(1)輸入級采用低噪器件

(2)運用低溫

(3)減小冷電容CΣ

(4)反饋電阻Rc和探測器負載電阻RD.

四.電荷靈敏前放的改進（略）

圖2.2.10

圖2.2.11

圖2.2.12

圖2.2.13

五.電荷靈敏前放噪聲的實驗測量

1.噪聲對信號幅度譜的展寬測量噪聲

圖2.2.14FWHMNE=(FWHMx)(E2-E1)/(x2-x1)

2.示波器、寬頻帶電壓表測噪聲

FWHMNV=2.36Vn0

Vn0：輸出均方根值

§2習題(P56—57)：

2.22.42.6

BACK§3.電壓(靈敏)前置放大器

一般電路的形式圖2.3.1

A=v0/vi=(R2+R1)/R1

采用FET作輸入極的電壓靈敏前放圖2.3.2

電壓前放的一個實例圖2.3.3

BACK§4.電流（靈敏）前置放大器（快前置放大器）

電荷/電壓靈敏前置放大器圖2.4.1

低噪聲電流的前置放大器圖2.4.2

AI=I0/Ii=Rf/RLRf較小

特點：

（1)快響應，可獲得時間信息。

(2)可遠距離傳輸。