核电子学与核仪器-课件625283.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,核电子学与核仪器,覃国秀,,Tel:13807947408,核技术教研室,2009/04/23,上次课关键点,前置放大器的作用与分类,作用,：提高信噪比、减少外界干扰的影响、,合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配,分类,：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前置放大器、电流灵敏前置放大器,电荷灵敏前置放大器的特性,变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上升时间及其稳定性、计数率效应,引入,结型场效应管,场效应管和普通三极管一样，可以看作是受控的电流源，但它是一种电压控制的电流源转移特性曲线：,是指在一定漏源电压,U,DS,作用下，栅极电压,U,GS,对漏极电流,I,D,的控制关系曲线引入,结型场效应管,输出特性曲线：,是指在一定栅极电压,U,GS,作用下，,I,D,与,U,DS,之间的关系曲线引入,结型场效应管,场效应管放大电路的静态分析：,场效应管是电压控制器件，它没有偏流，关键是建立适当的栅源偏压,U,GS,引入,结型场效应管,场效应管中电流只由,多数载流子,形成，所以又称为单极型晶体管。

场效应管的栅极作为电压信号输入的控制端，正常工作时两个,PN,结处于,反向偏置,，耗尽层,电阻极高,，只有极小的反向电流流通，这就是,栅极电流,场效应管只有一种多数载流子的定向漂移运动，所以它的噪声要比晶体管的,低,本堂课主要内容：,二、,电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,2.5,电荷灵敏前置放大器噪声的实验分析,三、,电压灵敏前置放大器,四、,电流灵敏前置放大器,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,对于高分辨率的能谱测量装置，要求,探测器,-,放大器系统,的,信噪比尽可能高,在放大器中一般只考虑在前置放大器,第一级减小噪声,，因为第一级产生的噪声为后面各级放大电路所放大，它在决定整个装置的噪声中起着主要的作用一般半导体探测器的电荷灵敏前置放大器主要采用噪声较小的,结型场效应管,作输入级二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,探测器,-,前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等效电路二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,探测器漏电流噪声,电阻,R,D,热噪声,场效应管栅极漏电流噪声,场效应管沟道噪声,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,场效应管闪烁噪声,反馈电阻热噪声,场效应管的栅极感应噪声，由于工艺改进，通常可忽略。

二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的,串联噪声和并联噪声,并联电流噪声源,并联电流噪声源,和信号源是并联的R,f,的电流噪声,也可以近似看作和信号电流并联,，因为放大器的输出阻抗通常很小串联电压噪声源,串联电压噪声源,场效应管的沟道噪声和闪烁噪声为等效在输入端的串联电压噪声源二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,为了和并联电流噪声源进行比较，可以,将串联电压噪声源等效为与信号并联的电流噪声源二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,当,反馈足够深,时,由图,(a),由图,(b),最终得到,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,在把串联电压噪声折算为并联电流噪声时，只与前置放大器输入端的,冷电容,有关，冷电容越大，等效并联电流噪声就越大，由于,C,f,本身不大，冷电容是由,输入端的总电容,C,i,起决定作用注意：“冷电容”与前置放大器输入电容的区别，后者不能忽略,C,f,的作用,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器的串联噪声和并联噪声,最后计算出的,等效并联电流,为：,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器中,a,噪声和,b,噪声和,c,噪声,在前置放大器中，当输入端噪声全等效为并联电流噪声后，根据其与频率的依赖关系，可分为,a,噪声，,b,噪声和,c,噪声。

a,噪声,(,与,2,成正比,),b,噪声,(,与,无关,),c,噪声,(,与,成正比,),二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器中,a,噪声和,b,噪声和,c,噪声,代入各噪声分量的表达式，整理后得到的,输入端总的并联噪声,：,其中,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器中,a,噪声和,b,噪声和,c,噪声,以,a,、,b,、,c,输入并联电流噪声表示的等效电路：,等效输入端电流噪声,等效输出端电压噪声,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,前置放大器中,a,噪声和,b,噪声和,c,噪声,将前置放大器的输入电流噪声,等效,为,输出电压,噪声可得：,可见，噪声的,功率谱密度函数,即,这一噪声总表达式是很有用的，它为进一步抑制噪声，提高信噪比提供了,理论依据,二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,降低前置放大器噪声的措施,（,1,）,输入级采用低噪声器件,目前,低温,运用的,结型场效应管,具有最低的噪声，在常温下，结型场效应管的噪声也比晶体管小得多，所以一般均采用低噪声场效应管作输入级放大管。

2,）,低温运用,当温度,T,低时，,a,噪声较小,，而且由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也使,b,噪声减少特别是场效应管的,跨导,也与温度有关，在一定温度范围内，,g,m,值要比常温大一倍左右二、电荷灵敏前置放大器,2.3,电荷灵敏前置放大器的噪声分析,降低前置放大器噪声的措施,（,3,）,减少冷电容,C,因为,C,=C,D,+C,S,+C,A,+C,f,，除了,C,D,、,C,A,外，,C,S,可采用输入级紧靠探测器的办法来减少，,C,f,则采用合适的反馈电容4,）,反馈电阻,R,f,和探测器负载电阻,R,D,，常通过实验选用低噪声电阻，阻值一般在,10,9,10,10,左右,可采用真空兆欧电阻或金属膜电阻，并处于,低温,工作，以降低热噪声此外，还可从噪声与频率的关系，用滤波网络来限制频带宽度,）,二、电荷灵敏前置放大器,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器,使,C,f,释放电荷的一种方法是利用,脉冲光反馈系统,二、电荷灵敏前置放大器,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器,脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器的波形分析。

二、电荷灵敏前置放大器,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,漏反馈电荷灵敏前置放大器,利用场效应管的,栅流,I,g,也可以使反馈电容,C,f,释放电荷，与光反馈系统不同，栅流的大小由场效应管源、漏极之间的电压控制探测器输出的电流脉冲,i,D,在,反馈电容,上不断,积累,，放大器输出电压逐渐增长，次电压经积分后加到场效应管的漏极上，使,栅流,增加，从而使,C,f,放电二、电荷灵敏前置放大器,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,漏反馈电荷灵敏前置放大器,N,沟道场效应管栅极,电流,I,g,与漏源电压,V,DS,有关，当,V,DS,超过某一数值后，,I,g,随,V,DS,增加而,很快增加,因此，可以通过,V,DS,控制,I,g,的大小二、电荷灵敏前置放大器,2.4,电荷灵敏前置放大器的进一步改进,晶体管复位电荷灵敏前置放大器,近年来，由于选用,噪声小、结电容小,的晶体管，发展了晶体管复位电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器,2.5,电荷灵敏前置放大器噪声的测量,根据噪声对信号幅度的展宽测量噪声,测量原理：,等幅信号,输入待测装置时，其输出信号幅度谱的,半高宽度,相当于,噪声线宽,。

二、电荷灵敏前置放大器,为了保证测量精度，在标定幅度分析器和测量噪声线宽时，应调节好系统的增益和输入信号幅度，使每个峰的,半高宽不少于一定的道数；每个峰的最高计数道的计数也要够高,国际电工委员会推荐的数据是：每个峰的半高宽至少要有,20,道，每个峰的最高计数道不少于,10000,个计数一般取,7-8,道以及几千个计数精密脉冲发生器输出的信号应满足以下要求：,上升要够快,，上升时间不大于主放大器中最短微分时间常数的,20%,；,衰减要慢,，在主放大器输出脉冲达到峰值时刻，衰减不超过其高度的,2%,推荐的数据是上升时间小于,20ns,，衰减时间常数大于,100us,输入端定标电容器,Cc,最好选用,三端型电容器,，这种电容器有一屏蔽端，使用时接地二、电荷灵敏前置放大器,2.5,电荷灵敏前置放大器噪声的测量,用示波器和宽频带电压表测量噪声,用,宽频带均方根电压表,代替上图的脉冲幅度分析器，在无信号输入时，测量系统输出的电压均方根值，则噪声线宽为：,转换为以,电荷,为单位的噪声线宽：,转换为以,能量,为单位的噪声线宽：,三、电压灵敏前置放大器,电压前置放大器,常与,闪烁探测器,配合使用，电路简单。

不同探测器对电压前置放大器的要求不一样，如配合,光电倍增管,时，由于输出信号幅度较大，仅配一级,射级跟随器,即可；而对于气体电离室或正比计数管，由于输出信号较小，需有,较大的放大倍数,；如用作时间测量，则主要考虑有,较快上升时间和足够的放大倍数,采用负反馈的电压灵敏前置放大器,三、电压灵敏前置放大器,对于,闪烁探测器,，为了使探头输出可以远传，常直接采用,跟随器形式,的电压灵敏前置放大器而,结型场效应管具有高输入阻抗和低噪声的性能,，仍被常用来作为电压前置放大器的,输入级,采用场效应管作为输入级的电压前置放大器,三、电压灵敏前置放大器,电压灵敏前置放大器实例,四、电流灵敏前置放大器,电压和电荷灵敏前置放大器的共同点是：,当探测器输出电流脉冲时，都对输入电容充电它们输出信号幅度都与射线,能量,成正比,，所以均可用于,能谱测量,电流灵敏前置放大器就是对输入,电流响应较快,的放大器，也称为,快前置放大器,，它是对探测器输入电流信号,直接进行放大,，不是积分成电压，而是,输出电压或电流幅度与输入电流成正比,四、电流灵敏前置放大器,当电路的负反馈电阻,R,f,取值,较小,时：,C,f,的并联作用可以忽略；如果,R,i,/C,i,阻抗较大时，对输入端阻抗来说,R,f,起主要作用，而且是,深度负反馈,。

则,电流灵敏前置放大器的特点：,响应快，可以获得精确的时间信息；可以远距离传输信息；输出脉冲的上升时间和宽度都较窄，有力于高计数率测量四、电流灵敏前置放大器,原则上说，电流灵敏前置放大器也可用于能谱测量，即在其,输出端加电容,后，可得,但此时因,R,f,较小，,噪声,要比电荷灵敏前置放大器的大的多，对,能量分辨不利,低噪声电流灵敏前置放大器,总结,二、,电荷灵敏前置放大器,串联噪声与并联噪声；冷电容；,a,、,b,、,c,噪声；降低噪声的措施,三、,电压灵敏前置放大器,电压灵敏前置放大器的结构、特点,四、,电流灵敏前置放大器,电流灵敏前置放大器的结构、特点,演讲完毕，谢谢观看！,。