核電子學(xué)與核儀器-課件52023/7/17核電子學(xué)與核儀器課件5[1]第一章重點(diǎn)核輻射探測(cè)器等效電路及其信號(hào)引出核電子學(xué)與核儀器課件5[1]第一章重點(diǎn)核電子學(xué)中的噪聲

噪聲的衡量：

等效噪聲電壓（ENV）；等效噪聲電荷（ENC）；等效噪聲能量（ENE）

核電子學(xué)中的主要噪聲有三類：

散粒噪聲；熱噪聲；低頻噪聲積分電路與微分電路核電子學(xué)與核儀器課件5[1]本堂課主要內(nèi)容：一、概述1.1前置放大器的作用1.2前置放大器的分類二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性2.2電荷靈敏前置放大器的基本電路和實(shí)例分析核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.1前置放大器的作用采用電子學(xué)方法進(jìn)行核輻射測(cè)量時(shí)，要對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行處理。由于探測(cè)器輸出信號(hào)往往比較小，一般情況下，都首先要通過(guò)放大器放大后再進(jìn)行分析。

在實(shí)際測(cè)量中，探測(cè)器附近總有一定的輻射劑量存在，工作人員必須遠(yuǎn)離輻射現(xiàn)場(chǎng)來(lái)操作測(cè)量?jī)x器。同時(shí)，為了減少探測(cè)器輸出端到放大器之間的分布電容的影響，減少外界干擾，提高信噪比，并使連接信號(hào)用的高頻電纜阻抗相匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大器兩部分。(在實(shí)際測(cè)量中，前置放大器的參數(shù)很少變動(dòng)，而由后面的主放大器來(lái)調(diào)節(jié)。)核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.1前置放大器的作用提高系統(tǒng)的信噪比布局1：傳輸線長(zhǎng)，分布電容大，信噪比小。布局2：分布電容小，信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)。為什么呢？核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.1前置放大器的作用減少外界干擾的相對(duì)影響由于空間電磁干擾的存在，或有時(shí)屏蔽和隔離不好，在信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，往往串入外界干擾，需要設(shè)法提高信號(hào)干擾比。為了更好地抑制外界干擾，前置放大器與探測(cè)器一起，通常采取良好的屏蔽、接地、隔離、濾波等措施。在弱信號(hào)傳輸時(shí)，還需用屏蔽良好、噪聲較小的電纜線，當(dāng)主放大器為差分輸入時(shí)，則采用低噪聲雙芯屏蔽電纜。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.1前置放大器的作用合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用

為縮小體積，緊靠輻射源的前置放大器通常要求有一定的放大倍數(shù)，工作穩(wěn)定可靠，并做成非調(diào)節(jié)式。實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配

前置放大器是在探測(cè)器和主放大器之間作為一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器，探測(cè)器通常要求后級(jí)有高的輸入阻抗以便于信號(hào)的輸出，而前置放大器通過(guò)電纜遠(yuǎn)距離傳送給主放大器時(shí)，則要求有能與電纜阻抗相匹配的低的輸出阻抗及傳遞信號(hào)。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類

前置放大器按不同的特點(diǎn)有幾種分類方法：與不同的探測(cè)器相配，可有不同的前置放大器，如電離室前置放大器電路，正比計(jì)數(shù)器前置放大器電路，半導(dǎo)體探測(cè)器前置放大器電路和閃爍探測(cè)器輸出電路等。根據(jù)探測(cè)器輸出信號(hào)成形方式的特點(diǎn)分類，前置放大器可分為電壓靈敏前置放大器，電荷靈敏前置放大器和電流靈敏前置放大器。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電壓靈敏前置放大器

探測(cè)器極間電容：CD；放大器的輸入電容：CA；分布電容CS。則放大器的輸入端總電容：Ci=CD+CA+CS核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電壓靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器的主要問(wèn)題是輸入端總電容Ci決定于CD、CA和CS，它們不是穩(wěn)定不變的。例如，放大器輸入電容CA可能由于輸入級(jí)增益不穩(wěn)定而變化；使用P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器時(shí)，如偏壓不穩(wěn)定，則其結(jié)電容CD將發(fā)生變化等等；這時(shí)Ci也就隨之變化。當(dāng)Ci不穩(wěn)定時(shí)，輸出電壓幅度也不穩(wěn)定，在能譜測(cè)量中，這將使系統(tǒng)的分辨率降低。在輸入端并聯(lián)大容量的電容器可減小輸入總電容中不穩(wěn)定因素的相對(duì)影響，然而，這將使信號(hào)幅度減小，信噪比降低。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電荷靈敏前置放大器

電荷靈敏前置放大器就是帶有電容負(fù)反饋的電流積分器。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電荷靈敏前置放大器由于反饋電容可以足夠穩(wěn)定，輸入電容Ci的影響可以忽略，輸出電壓幅度VOM有很好的穩(wěn)定性，因此這種電荷靈敏前置放大器常用于高能量分辨率能譜儀系統(tǒng)。為了釋放Cf上不斷累積的電荷量，并穩(wěn)定反饋的直流工作點(diǎn)，需要采取一些措施，如附加一個(gè)阻值較大的反饋電阻Rf與Cf并聯(lián)，Rf常稱為泄放電阻。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電流靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器是對(duì)探測(cè)器輸出電流信號(hào)直接進(jìn)行放大。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]一、概述1.2前置放大器的分類電流靈敏前置放大器

電流靈敏前置放大器輸入電阻小，但時(shí)間響應(yīng)較好，常用作快放大器，不過(guò)其相對(duì)噪聲較大，主要用于時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。

從電荷(或電壓)靈敏與電流靈敏前置放大器兩者輸出信號(hào)保留的信息上并沒(méi)有絕對(duì)的差別。但從物理測(cè)量的要求看：電荷靈敏和電壓靈敏前置放大器主要用于能譜測(cè)量分析系統(tǒng)；電流靈敏前置放大器則主要用于時(shí)間測(cè)量分析系統(tǒng)。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器具有良好的低噪聲性能，并且其輸出信號(hào)幅度基本上不受探測(cè)器極間電容、放大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電容和電壓增益等參數(shù)穩(wěn)定性的影響。目前高分辨率能譜測(cè)量系統(tǒng)中使用的幾乎都是電荷靈敏前置放大器。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性變換增益核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性變換增益

在電荷靈敏前置放大器中，反饋電容Cf跨接于放大器的反相輸入端和輸出端之間，放大器采用高增益寬帶運(yùn)算放大器，輸出阻抗很小，開(kāi)環(huán)增益Ao很大。把反饋電容等效到輸入端，由于密勒效應(yīng)，總的輸入電容為：

則核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性變換增益

由于運(yùn)算放大器的增益一般很大，所以輸入信號(hào)可簡(jiǎn)化為：則輸出信號(hào)為：對(duì)于電荷靈敏前置放大器，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益Ao足夠大時(shí)，電荷變換增益ACQ僅與反饋元件Cf有關(guān)，因此只要采用高穩(wěn)定精密的反饋電容，就可得到穩(wěn)定的電荷變換增益。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性變換增益此外，還可以定義能量變換增益ACE，它表示相應(yīng)于單位能量的射線被探測(cè)時(shí)，前置放大器輸出幅度的大小。一般，探測(cè)器輸出信號(hào)幅度經(jīng)過(guò)前置放大器放大后比探測(cè)器直接輸出的信號(hào)要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，相對(duì)于毫伏量級(jí)的一般干擾，前置放大器輸出信號(hào)的抗干擾能力要強(qiáng)的多。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性輸出穩(wěn)定性

電荷靈敏前置放大器的輸出信號(hào)幅度為：放大器開(kāi)環(huán)增益Ao和輸入電容的變化對(duì)輸出穩(wěn)定性的影響為：核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性輸出穩(wěn)定性

引入反饋深度AoF，則要提高輸出穩(wěn)定性，減小相對(duì)變化量，要求AoF足夠大。一般Cf取得較小，所以反饋系數(shù)F值也較小，此時(shí)放大器開(kāi)環(huán)增益Ao必須很高。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性輸出噪聲

在測(cè)量中，除了真正有用的信號(hào)外，同時(shí)由許多噪聲源所產(chǎn)生的噪聲與信號(hào)疊加在一起，因此要提高測(cè)量精度必須減小噪聲，盡量提高信噪比，這一性能指標(biāo)對(duì)前置放大器電路是很重要的。

前置放大器噪聲常用能量半高寬FWHM來(lái)表示，例如某電荷靈敏前置放大器的噪聲特性可表示為FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/pF，前一項(xiàng)為無(wú)外接電容時(shí)的等效噪聲半寬度，后一項(xiàng)為其噪聲斜率。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性輸出脈沖上升時(shí)間(tr)及其穩(wěn)定性

上升時(shí)間tr，是指輸入一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)脈沖前沿由幅度10%的變化到90%的時(shí)間，通常希望前置放大器在時(shí)間上能較快的響應(yīng)，要求上升時(shí)間越小越好。

輸出脈沖上升時(shí)間tr取決于前置放大器本身的上升時(shí)間、探測(cè)器電流脈沖持續(xù)時(shí)間、以及探測(cè)器極間電容。通常定義前置放大器本身上升時(shí)間tro是指前置放大器在輸入沖擊電流Q·δ(t)時(shí)，輸出電壓的上升時(shí)間。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)

計(jì)數(shù)率效應(yīng)包括信號(hào)堆積、輸出動(dòng)態(tài)范圍和最高計(jì)數(shù)率等問(wèn)題。從探測(cè)器輸出單個(gè)信號(hào)來(lái)看，前置放大器輸出信號(hào)的幅度較小，而且實(shí)際探測(cè)器輸出是大量的隨機(jī)脈沖，它對(duì)前置放大器線性工作的動(dòng)態(tài)范圍提出一定的要求。在電荷靈敏前置放大器中，由于對(duì)反饋電容Cf的充電作用，信號(hào)是一個(gè)一個(gè)的累加上去的，如果不給Cf上的電荷以放電通路的話，那么不斷充電的結(jié)果，將使放大器無(wú)法工作。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)

探測(cè)器與電荷靈敏前置放大器采用直流耦合。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)

當(dāng)輸入單個(gè)電流Q·δ(t)時(shí)，由于反饋放大器輸入端為虛地，則輸出電壓為如輸出信號(hào)的平均計(jì)數(shù)率為n時(shí)，每個(gè)電流脈沖的電荷量為Q，則堆積的輸出信號(hào)的平均值為核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)

由于探測(cè)器輸出脈沖在時(shí)間上是隨機(jī)分布的，實(shí)際輸出電壓Vo是圍繞其平均值上下起伏的。

當(dāng)平均計(jì)數(shù)率n較高時(shí)，輸出電壓的上下漲落分布可近似表示為高斯分布。則前置放大器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)不小于：核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)

探測(cè)器與電荷靈敏前置放大器采用交流耦合。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.1電荷靈敏前置放大器的主要特性計(jì)數(shù)率效應(yīng)上述電荷靈敏前置放大器的主要指標(biāo)(變換增益、輸出穩(wěn)定性、輸出噪聲、輸出上升時(shí)間和計(jì)數(shù)率效應(yīng))，為具體電路的設(shè)計(jì)考慮和分析研究明確了要求。但應(yīng)該注意各項(xiàng)指標(biāo)的性能高低，需要結(jié)合具體物理實(shí)驗(yàn)需要，全面權(quán)衡考慮，因?yàn)閷?shí)際上有些指標(biāo)是相互牽制、制約的，不應(yīng)該片面地強(qiáng)調(diào)某一指標(biāo)。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.2電荷靈敏前置放大器的基本電路與實(shí)例電荷靈敏前置放大器的一種典型電路核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.2電荷靈敏前置放大器的基本電路與實(shí)例工作過(guò)程：半導(dǎo)體探測(cè)器D經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻由高壓電源供電。Ｃ為隔直流電容。Rf用來(lái)釋放Cf上積累的信號(hào)電荷，并提供直流負(fù)反饋以穩(wěn)定電路的直流工作點(diǎn)。Ra表示T2管的等效動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻(主要決定于虛線框內(nèi)恒流源的內(nèi)阻和T2管集電極輸出電阻)。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器2.2電荷靈敏前置放大器的基本電路與實(shí)例這種電路的特點(diǎn)是：(1)T1管的等效負(fù)載小，所以第一級(jí)的電壓放大倍數(shù)、輸入電容小，開(kāi)環(huán)輸入端總電容也就較小。因此，電路容易滿足所要求的條件。（共基放大器輸入電阻小，頻率特性好）。(2)上升時(shí)間小，反饋深度大，穩(wěn)定性好。核電子學(xué)與核儀器課件5[1]核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器定量估算電路的開(kāi)環(huán)增益

假設(shè)射極跟隨器電壓增益接近于1，而且輸入電阻也足夠大；另外T2共基電路的輸入電阻遠(yuǎn)小于T1的漏極負(fù)載電阻，則增益核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前置放大器定量估算上升時(shí)間在實(shí)際測(cè)量中，常利用具有快速前沿的電壓信號(hào)Vp通過(guò)一個(gè)小容量的檢驗(yàn)電容C1，當(dāng)放大器輸入電容遠(yuǎn)大于C1時(shí)，近似在信號(hào)端注入電荷量為VpC的沖擊電流信號(hào)。設(shè)T2集電極對(duì)地電容為Co2，在不考慮反饋時(shí)，上升時(shí)間為2.2Ro2·Co2,而對(duì)于分析電路核電子學(xué)與核儀器課件5[1]二、電荷靈敏前