核 电 子 学 方 法 - 中国科学技术大学
§3、前置放大器与探测器输出直接相联的电路称为前置级，一般这部 分电路具有信号放大功能，故称为前置放大器。一、前置放大器的作用 从探测器输出端获得所需的电信号（能量、时间）； 预放大探测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比； 进行阻抗变换，减少信号传输中的干扰。 使能量、时间的测量更加准确1信号的预放大探测器和前放的等效电路 从放大器输入端看的输入电容 Ci=CD+CS+Cai 放大器输入端电压（忽略RD)CD为探测器输出电容 CS为分布电容 Cai为放大器输入电容2前置放大器的分类在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保留 信号的不同特点，可以分为两大类： 积分型放大器 Ø电压灵敏前置放大器 对探测器信号先积分再放大Ø电荷灵敏前置放大器 放大和积分同时进行电流型放大器 Ø电流灵敏前置放大器 保留输入电流信号的形状特征3电压灵敏型前置放大器基本原理 V-V 电压放大器探测器电流信号在放大之前已被 自然积分为电压信号。 近似认为探测器电流 iD(t)=Qd(t)§4、积分型前置放大器4电压灵敏前置放大器典型电路怀射极特跟随器 对正负脉冲都有较好的 过渡特性 当输入正脉冲时， T1电流变小，输出电流 如蓝色箭头方向 当输入负脉冲时， T1电流变大，输出电流 如绿色箭头方向 C*为加速电容， 正脉冲瞬间，T1电 流减小，通过电容的耦 合，降低T2 的b,e极电压 ，增加输出电流。同理 ，负脉冲瞬间，c*会减 少输出电流。光电倍增管的输出电路5电压灵敏前置放大器的特性电路结构简单 前放输出电压的幅度为VOM = AQ/Ci而Ci=CD+CS+CAi CD 随外加偏压而变化； CS 随引线长短、元件位置因素变化而变化， Cai 与放大器工作状态有关。 这些因素将使 VOM 的值在不同条件下发生变化，输出电 压的精度不高，一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要 求不高系统。如接在闪烁探测器后面。 如果在输入端并联大的电容？ 幅度，噪声6电荷灵敏前置放大器基本结构和工作原理 由高输入阻抗、高 增益的倒相放大器与一 个反馈电容组成的负反 馈放大器。 7另外，从放大器的输入端看：由于 密勒效应，电容相当于被放大了（1+A) 倍 C if = Ci + (1+A)Cf原电路可以等效成VOM 为输出信号幅度，它仅仅决定 于Cf 值和Q的大小，将不随Ci 或A 的不稳定而变化，只要Cf 值恒定， 输出信号幅度保持与电荷量正比关 系。 8典型电路T1管为结型场效应管，接成共源放大器 。 T2为共基放大器，电流电压 T3管接成一个射极跟随器作为输出极。 T1管的变换增益 （T1管的跨导） T2管的变换增益 T3管的变换增益 G3=1此放大器的开环增益为 若 ，则A0 = 2500 >>19应该注意以下几点： （1）与反馈电容并联的电阻起到泄放上电荷的作用 ，一般取值为108109，太小了会增加噪声，太大了起 不到泄放作用。另一个作用是产生直流负反馈以稳定放 大器直流工作点。 （2）探测器与放大器之间用电容起到隔直作用。一 般取值为几千pF量级。耐压为几千伏。 （3）T2管采用共基电路的目的是为了减小因米勒效 应引起输入电容的增加，使保持在很小值。10电荷放大器的主要性能指标 1电荷电压转换增益GQV： 定义为单位输入电荷产生的输出电压幅度，即 若把探测器也包括在内，定义能量电压转换增益 其中e为电子电荷，等于1.6×10-19库仑， 为平均电离能，对 于硅半导体探测器，则112上升时间 (10%-90%) 实际放大器具有一定频带宽，对频带影响最大的是T2管集电极电 路，考虑到 并联的还有负载电容 ， 放大器在开环情况下，可以计算其上升时间为：构成电荷灵敏放大器后，反馈系数闭环时的上升时间：通常可以满足 Ca=5pF, Ci =5pf, Cf =1pf, gm =5mA/V, 则有tr =13ns123输出电压稳定性 我们要求输出电压幅度尽可能不随开环放大倍数和输入电容的变化而 变化，可以用输出幅度相对变化来衡量其稳定性的好坏。为了提高稳定性，可以 增大开环增益A0 ， 提高反馈系数F(减小Ci) 。134输入阻抗：如果放大器频带无限宽（低频输入） 反馈回路的阻抗对输入阻抗的贡献为：因而输入电阻输入电容在考虑到放大器的频带有限情况（高频输入） 输入电阻输入电容14尽管探测器输出的每个电信号在电荷灵敏放大器产生的输出电压并不 大，但是每输出一个信号都在Cf 上积累起来，虽然Rf 能泄放其上电 荷，但tf = Rf Cf 由于很大，泄放很慢，就会造成信号堆积。 5. 动态范围和最高计数率15可以用坎贝尔(Campbell)定理来计算输出端平均直流电平及 其涨落:可以认为Vo(t) 的涨落服从高斯分布。16实际输出电压的瞬时值，落在若希望99%的信号都被放大，即要求放大器动态范围不小于若放大器变换增益为440mV/1MeV, 对于能量为1MeV的粒子(平均 计数率为10kc/s)，动态范围要大于7V。17为了减小对动态范围的要求，探测器与电荷灵敏放大器之间采用交流耦合这样可以使直流分量为零，即动态范围仅仅要求：交流耦合18电荷灵敏放大器电路实例 阻容反馈式T3, T4组成复合跟随器，以提高其输入阻 抗，实质上提高了T2管集电极的负载电阻 。 C13自举电路用以提高T2管R11、R12支路 的阻抗，达到增加开环增益的目的。 W1用来调节T3管偏流，通过它调节输出静 态工作点，经R5反馈调节T1管的静态偏置 ；W2调节T2管基极电位,达到调节管T1漏极 与源极间电压，使其有合适的工作点。 输入端有接探测器输出端和检验端二个接 头。图中反馈电容C6接在隔直电容C7的左 端。若接在右端，要求增大C7才能减小探 测器电容的影响，接在左端就不存在这个 问题了。 C*与R9组成自举电路，有效地提高了T3管 输入阻抗，从而使T3管增益更接近于1。 C8与R7并联电路反馈到管发射极用以改善 其过渡特性。 为了减小各放大级之间通过电源发生内耦 合，电路中采用了多级去耦电路，以防止 振荡。 19为了防止并联电阻引起的噪声，可以不用电阻Rf 对电容放电，而采用 以下电路原理：Vo超过阈值发光栅流Ig增加，放电到下阈值停止放电脉冲光反馈式20§5 电流灵敏前置放大器 目的： 输出信号在形状上与探测器电流脉冲相接近。要求： 前置放大器输入回路的时间常数非常小，一般要求 远小于电流脉冲的宽度。放大器频带很宽，一般要求在几百兆赫兹以上。21电流灵敏前置放大器实现方法电压-电压型放大器 在输入端并联上小电阻， 在电阻上形成电压信号。 电阻一般选为50， 适合于信号幅度较大的情 况。 对V-V放大器要求其上升时 间很小，一般在ns量级。 22并联负反馈放大器 Vo (t)=iD (t) Rf电荷灵敏放大后微分输出 电荷灵敏放大器起到对电流脉冲的积分，若再 采用微分电路将其恢复回来。 既可以获得与电荷量正比的电压信号， 同时获得宽度与输入电流相近的窄脉冲, 得到较窄脉冲，提高计数率； 对放大器有更高要求23电流灵敏放大器的特点响应快，可以获得精确的时间信息， 也可以由波形分辩粒子； 上升时间和脉冲宽度都较窄，有利于高计数率测量； 可以用于能谱测量系统，特别是在需要选通测量的时 候。24
