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1、前置放大器原理及应用1.1 概述1.1.1 前置放大器的作用 前置放大器的主要作用如下： 第一、提高系统的信噪比。 第二、减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。 图1-l-l 核辐射测量中探测器一放大器系统的连接方式（a）前置放大器与主放大器之间用一般电缆连接（b）前置放大器与主放大器之间用双芯电缆连接。图中Z0为电缆的特性阻抗，R=Z01.1.2 前置放大器的分类大致可以分为两类。一类是积分型放大器，包括电压灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器，它的输出信号幅度正比于输入电流对时间的积分，即输出信号的幅度和探测器输出的总电荷量成正比。另一类是电流型放大器，亦即电流灵敏前置放大器，它的输出信号波形
2、应与探测器输出电流信号的波形保持一致； 电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器，如图1-1-2所示。图中为探测器输出的电流信号，为信号持续时间，为每个电流信号携带的总电荷量，、图1-1-2 电压灵敏前置放大器、分别为探测器的极间电容、放大器的输入电容和输入端的分布电容，输入端总电容。假设放大器是输入电阻极大的电压放大器，则输入电流信号在输入端总电容上积分为电压信号，其幅度等于与Q成正比。输入电压信号，由电压放大器进行放大，因此；输出电压信号的幅度也与Q成正比。 图1-1-2电路中，输入端总电容决定于、和它们不是稳定不变的。例如，放大器输入电容可能由于输入级增益不稳定而变化，使用P-N结半导体探
3、测器时，如偏压不稳定，则其结电容将发生变化等等，这时也就随之变化。当不稳定时，输出电压幅度也不稳定。所以图1-1-2这种电压灵敏前置放大器一般只适于稳定性要求不高的低能量分辨率系统。图1-1-3是利用密勒积分器构成的前置放大器。其输出电压幅度有很好的稳定性，同时有较高的信噪比。图中为反馈积分电容，是不考虑时输入端总电容。当输入电流信号时，输出电压上升。设电压放大器的低频增益足够大，使得对输入电容的贡献远大于，则输入电荷主要累积在上。注意时输出信号电压幅度近似等于上的电压，则图1-1-3 电荷灵敏前置放大器实际上反馈电容可以足够稳定，所以输出幅度反映了输入电荷的大小且与无关。鉴于这一特点，我们将
4、这种前置放大器称为电荷灵敏前置放大器。图1-1-4 电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器通常是一个并联反馈电流放大器，如图1-1-4所示，其输出电流（或电压）与输入电流成正比。1.2 电荷灵敏前置放大器1.2.1 电荷灵敏前置放大器的工作原理对于图1-1-3所示电荷灵敏前置放大器，不难看出，输出信号电压稳定值（1.2.1）式中为输入信号电压稳定值。输入电荷 （1.2.2）考虑到将（1.2.1）式代入上式，可得输出信号电压稳定值，亦即输出信号电压幅度 （1.3.2）其中 （1.2.4）是电荷灵敏前置放大器低频等效输入电容。如果满足 （1.2.5）则 （1.2.6）上式表明，当时，只要保持恒定不变
5、，不论、是否稳定，输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数”都是稳定的。图1-2-1 电荷灵敏前置电放大器（a）交流耦合电路 （b）直流耦合电路图1-2-1（a）是电荷灵敏前置放大器的一种典型电路。半导体探测器经过负载电阻由高压电源H.V.供电。为隔直流电容。用来释放上积累的信号电荷，并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。表示管的等效动态负载电阻（主要决定于虚线框内恒流源的内阻的管集电极输出电阻）。这种电路的特点是：（1）管的等效负载小，所以第一级的电压放大倍数、输入电容小，开环输入端总电容也就较小。因此，电路容易满足（1.2.6）式所要求的条件：。（2）上升时间小，反馈深度大，稳定性好。1.2.
6、3 电荷灵敏前置放大器的电路一、阻容反馈电荷灵敏前置放大器 图1-2-1中构成反馈网络，这种型式的前置放大器称为阻容反馈或反馈电荷灵敏前置放大器。 图1-2-5是上述前置放大器构一种实际电路。第一级采用三个并联的场效应管，可降低噪声斜率，按大电容探测器时总噪声小。接小电容探测器则用单个场效应管为宜。是共基极放大管，及有关电路为恒流负载。末级至组成两级互补射极输出器，用它来驱动后接负载时可改善输出正负信号（或正负沿）的过渡特性，并且减小负载对前置放大器开环放大倍数的影响。电路对正负信号均有较大的动态范围，可工作于较高的计数率。四个串联二设管和330电阻设置末级静态工作点，并对至的基极一发射极电压
7、进行温变补偿。、两管发射设通过电容交流耦合。但是，当电路通过脉冲序列时，耦合电容上会累积电荷而产生压降。若的电压方向与图示的正方向相反，则累积电荷可通过、两管泄放；若的电压方向与图示的正方向相同，而且很大，则、截止，降通过两管发射极电阻（5.2k）缓慢放电。在两端并联一个二极管D可限制的正向电压，使电路迅速恢复。图中隔直流电容接在之右，比接在之左要好。因为，接在之左时，探测器输出电荷由和（）串联后再与探测器电容按比例分配，欲增加分配给的电荷比例，的容量要大。而大容量电容器对地的分布电备也大，使信噪比降低。电路的静态工作点由电位器RV1和RV调整。先调节RV，使场效应管工作于合适的漏极电压，然后
8、调节RV1，改变管的漏极电流，从而改变输出电压，通过反馈改变的栅极电位。通常使接近于零而小于零（如0.1V），这时场效应管的跨导大，噪声性能好。特别注意，调整必须在第一级高阻抗部分屏蔽良好的条件下进行，不能用电压表直接测量，而量输出电压。因管栅流很小，静态时输出电压和是相等的。图1-2-5 阻容反馈电荷灵敏前置放大器的电路 二、光反馈电荷灵敏前置放大器 对于阻容反馈电荷灵敏前置放大器，反馈电阻是产生噪声的主要因素之一，其噪声贡献比理论值还要大。可以考虑除去以提高系统的能量分辨率，但这时必须设法释放反馈电容上不断积累的信号电荷。否则上的电压不断增加，前置放大器将进入非线性区而不能正常工作。 使放
9、电的一种方法是利用脉冲光电反馈，如图1-2-6所示。探测器每输出一个电流脉冲时，前置放大器的输出电压将增加。因为，所以每一个电压增量上升至最大值后基本上不变。这样，输出电压瞬时值不断增加，当达到施密特触发器上阈时，触发器输出低电平，使原来截止的发光二极管LED导电发光。剥去外壳的场效应管在光的作用下，栅沟道结反向电阻下降，栅流增加，遂通过这个电阻放电。放电期间输出电压下降。降至施密特触发器下阈时，触发器复原，输出高电平，LED截止，前置放大器重新进入工作状态。 电压经微分和信号选通电路后，取出工作时间内的信号。恢复期间场效应管的栅流噪声对信号不产生影响。 这种电路的缺点很多，已较少使用。三、漏
10、反馈电荷灵敏前置放大器2 这种电荷灵敏前置放大器也是利用场效应管的栅流使反馈电容放电，与光电反馈系统不同的是，栅流的大小由场效应管源、漏之间的电压控制。如图1-2-7所示，N沟道场效应管栅极电流与漏源间电压有关，当山超过某一数值后，随增加而很快增加。因此，可以通过控制的大小。图1-2-8是利用结型场效应管这一特性构成的漏反馈电荷灵敏前置放大器方框图。图1-2-6 脉冲光反馈电荷灵敏前置放大器图1-2-7 场效应管的栅流与漏源间电压的关系曲线图1-2-8 漏反馈电荷灵敏的置放大器方框图 探测器输出的电流脉冲在反馈电容上不断积累电荷，放大器输出电压逐渐增长，此电压经积分后加至场效应管漏极上，使栅流
11、增加，从而使上积累的电荷减少。当单位时间内上积累的与释放的电荷平衡时，电路为动平衡状态。在计数率低时，栅流很小，因此分辨率可较高。在计数率高时，栅流增加，电路的分辨率变坏。可以用类似脉冲光反馈的方法，以脉冲形式释放上不断积累的信号电荷1 C. Bussolati et al., Nucl, Instr, and Meth., 156, 533 （1978）。在工作期间，漏反馈电路断开，此时漏极电压较低，栅流很小，在射线作用下输出电压不断上升，当输出电压达到一定数值时，漏反馈电路接通，这时漏极电压压较高，栅流较大，使迅速放电，然后电路恢复至起始状态。与脉冲光反馈一样，这种脉冲漏反馈电路仅仅在工作
12、期间取出信号，恢复期间内的栅流噪声对信号不产生影响。因此在计数率较高时，仍可获得良好的分辨率。 光反馈或漏反馈前置放大器的固有噪声线宽可以小到阻容反馈的几分之一。1.2.4 电荷灵敏前置放大器的主要特性一、噪声 CR-RC成形，时间常数10ms，噪声线宽为200eV（Si）。二、变换增益当电荷灵敏前置放大器输入一定的电荷Q时，希望输出电压幅度较大，即高。称为变换增益或电荷灵敏度，以表示，（1.2.31）由（1.2.3）式，当时，得到伏/库伦（1.3.32）由此可知。大时可小，从而得到较大的变换增益，但要有良好的稳定性。从噪声考虑也要求小，在低噪声前置放大器中，这一点特别重要。变换增益也可以定义
13、为与给定探测器入射粒子能量E的比值，即 （1.2.33）因为，其中W为探测器的电离能，为电子电荷，则由上式得 （1.2.34）对于硅半导体探测器，当为1pF和0.1pF时，分别等于44mV/MeV和440mV/MeV。三、电压增益和输出电压稳定性（1.2.3）式表明，为了保证电荷灵敏前置放大器输出电压幅度正比于探测器的输出电荷，而与增益以及无反馈输入电容无关，必须足够大。考虑到（1.2.3）式中如以及，则在、分别变化时可得（1.2.35） （1.2.36）其中（1.2.37）为反馈系数，为反馈深度。为了改善的稳定性，应足够大。从噪声性能考虑，取得很小，这时也很小，所以必须较高。例如，设或为5%
14、，、，要求为1/1000，则。当探测器的固有电容较大，即较大时，若其他条件不变，应更高，通常不小于几千。对于图1-2-1（a）所示电路，如认为源极输出器的传输系数为1，而且输入电阻足够大，并考虑的输入电阻远小于的漏极负载电阻，则在不计电路的过渡过程（即开路）时，输出电压或式中为场效应管的跨导，为的等效负载，、分别为输入、输出电压的幅度。由上式得电压增益为了获得高的电压增益，必须很大。实际上往往是图1-2-1（a）这种动态电阻很大的晶体管恒流负载，或是由自举电路构成的等效高欧姆负载，其值可达几十千欧。此外，可以在电路中再加入电流或电压放大级。四、上升时间在能量测量系统中，前置放大器输出信号的上升
15、时间变化时，经成形电路后，信号幅度也发生变化，因而使系统的能量分辨率降低。与前置放大器本身的上长时间、探测器的电流脉冲持续时间以及探测器的极间电容有关。定义为前置放大器输入冲击电流时，输出电压的上升时间。在一般情况下其值不超过几十毫微秒。在实际测量中，通常利用电压信号经过一个小容量的检验电容来近似获得冲击电流信号。例如在图1-2-5中，将幅度为、快速上升、缓慢下降的电压信号加至检验输入端，考虑到放大器输入电容远大于检验电容，则近似在信号端注入电荷量等于的冲击电流信号。下面分析图1-2-1（a）中前置放大器的上升时间，即不考虑探测器及负载情况下，输入时输出电压的上升时间。实际上一般大于109W，不小于0.1pF，所以在几十毫微秒或更短的上升时间内，可视为开路。反馈系数。不考虑反馈时，上升时间为2.2，对于图示电路，当输入为冲击电流时，负反馈使输出电压上升时间减小至开环时的，所以上升时间（1.2.38）实际上反馈深度，
