核電子學(xué)第6課前置放大器課件

1、核電子學(xué)與核儀器上次課關(guān)鍵點上次課關(guān)鍵點n前置放大器的作用與分類前置放大器的作用與分類 作用作用：提高信噪比、減少外界干擾的影響、：提高信噪比、減少外界干擾的影響、合理合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用、實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配布局，便于調(diào)節(jié)和使用、實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配 分類分類：電壓靈敏前置放大器、電荷靈敏前置放大：電壓靈敏前置放大器、電荷靈敏前置放大器、電流靈敏前置放大器器、電流靈敏前置放大器n電荷靈敏前置放大器的特性電荷靈敏前置放大器的特性 變換增益、輸出穩(wěn)定性、輸出噪聲、輸出脈沖上變換增益、輸出穩(wěn)定性、輸出噪聲、輸出脈沖上升時間及其穩(wěn)定性、計數(shù)率效應(yīng)升時間及其穩(wěn)定性、計數(shù)率效應(yīng)引入n結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效

2、應(yīng)管NDGSPPIDUDSUDDUGGUGSID / mA54321UGS / VUDS 10 VUGS(off)01234IDSS3.4引入n結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管ID / mA54321UDS / V010203 .4V2 V1 VUGS0可變電阻區(qū)預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)夾斷區(qū)引入n結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管C1RDVC2RL UDDUi.GRGRSCSDSIDUo.引入n結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 場效應(yīng)管中電流只由場效應(yīng)管中電流只由多數(shù)載流子多數(shù)載流子形成，所以又稱形成，所以又稱為單極型晶體管。場效應(yīng)管的柵極作為電壓信號為單極型晶體管。場效應(yīng)管的柵極作為電壓信號輸入的控制端，正常工作時兩個輸入

3、的控制端，正常工作時兩個PNPN結(jié)處于結(jié)處于反向偏反向偏置置，耗盡層，耗盡層電阻極高電阻極高，只有極小的反向電流流通，只有極小的反向電流流通，這就是這就是柵極電流柵極電流。 場效應(yīng)管只有一種多數(shù)載流子的定向漂移運動，場效應(yīng)管只有一種多數(shù)載流子的定向漂移運動，所以它的噪聲要比晶體管的所以它的噪聲要比晶體管的低低。本堂課主要內(nèi)容：本堂課主要內(nèi)容：n二、二、電荷靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)2.5電荷靈敏前置放大器噪聲的實驗分析電荷靈敏前置放大器噪聲的實驗分析n三、三、電

4、壓靈敏前置放大器電壓靈敏前置放大器n四、四、電流靈敏前置放大器電流靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析n對于高分辨率的能譜測量裝置，要求對于高分辨率的能譜測量裝置，要求探測器探測器-放大器系統(tǒng)放大器系統(tǒng)的的信噪比盡可能高信噪比盡可能高。在放大器。在放大器中一般只考慮在前置放大器中一般只考慮在前置放大器第一級減小噪聲第一級減小噪聲，因為第一級產(chǎn)生的噪聲為后面各級放大電路因為第一級產(chǎn)生的噪聲為后面各級放大電路所放大，它在決定整個裝置的噪聲中起著主所放大，它在決定整個裝置的噪聲中起著主要的作用。要的作用。n一般半導(dǎo)

5、體探測器的電荷靈敏前置放大器主一般半導(dǎo)體探測器的電荷靈敏前置放大器主要采用噪聲較小的要采用噪聲較小的結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管作輸入級。作輸入級。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲 探測器探測器-前置放大器第一級的信號和主要噪聲源的等前置放大器第一級的信號和主要噪聲源的等效電路。效電路。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲n探測器漏電

6、流噪聲探測器漏電流噪聲n電阻電阻RD熱噪聲熱噪聲n場效應(yīng)管柵極漏電流噪聲場效應(yīng)管柵極漏電流噪聲n場效應(yīng)管溝道噪聲場效應(yīng)管溝道噪聲二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲n場效應(yīng)管閃爍噪聲場效應(yīng)管閃爍噪聲n反饋電阻熱噪聲反饋電阻熱噪聲場效應(yīng)管的柵極感應(yīng)噪聲，由于工藝改進(jìn)，通?？珊雎?。場效應(yīng)管的柵極感應(yīng)噪聲，由于工藝改進(jìn)，通?？珊雎?。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的前置放大器的串聯(lián)噪聲

7、和并聯(lián)噪聲串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲n并聯(lián)電流噪聲源并聯(lián)電流噪聲源 并聯(lián)電流噪聲源并聯(lián)電流噪聲源 和信號源是并聯(lián)的。和信號源是并聯(lián)的。Rf的電流噪聲的電流噪聲,也可以近似看作和信號電流并聯(lián)也可以近似看作和信號電流并聯(lián)，因為放，因為放大器的輸出阻抗通常很小。大器的輸出阻抗通常很小。n串聯(lián)電壓噪聲源串聯(lián)電壓噪聲源 串聯(lián)電壓噪聲源串聯(lián)電壓噪聲源 場效應(yīng)管的溝道噪聲和閃爍噪聲為場效應(yīng)管的溝道噪聲和閃爍噪聲為等效在輸入端的串聯(lián)電壓噪聲源。等效在輸入端的串聯(lián)電壓噪聲源。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大

8、器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲 為了和并聯(lián)電流噪聲源進(jìn)行比較，可以為了和并聯(lián)電流噪聲源進(jìn)行比較，可以將串聯(lián)電壓將串聯(lián)電壓噪聲源等效為與信號并聯(lián)的電流噪聲源。噪聲源等效為與信號并聯(lián)的電流噪聲源。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲 當(dāng)當(dāng)反饋足夠深反饋足夠深時時 由圖由圖(a) 由圖由圖(b) 最終得到最終得到二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲

9、 在把串聯(lián)電壓噪聲折算為并聯(lián)電流噪聲時，只與前置在把串聯(lián)電壓噪聲折算為并聯(lián)電流噪聲時，只與前置放大器輸入端的放大器輸入端的冷電容冷電容 有關(guān)，冷有關(guān)，冷電容越大，等效并聯(lián)電流噪聲就越大，由于電容越大，等效并聯(lián)電流噪聲就越大，由于Cf本身不本身不大，冷電容是由大，冷電容是由輸入端的總電容輸入端的總電容Ci起決定作用。起決定作用。 注意：注意：“冷電容冷電容”與前置放大器輸入電容的區(qū)別，后與前置放大器輸入電容的區(qū)別，后者不能忽略者不能忽略Cf的作用的作用。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲前置放

10、大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲 最后計算出的最后計算出的等效并聯(lián)電流等效并聯(lián)電流為：為： 二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器中前置放大器中a噪聲和噪聲和b噪聲和噪聲和c噪聲噪聲 在前置放大器中，當(dāng)輸入端噪聲全等效為并聯(lián)電流噪在前置放大器中，當(dāng)輸入端噪聲全等效為并聯(lián)電流噪聲后，根據(jù)其與頻率的依賴關(guān)系，可分為聲后，根據(jù)其與頻率的依賴關(guān)系，可分為a噪聲，噪聲，b噪噪聲和聲和c噪聲。噪聲。 a噪聲噪聲(與與2成正比成正比) b噪聲噪聲(與與無關(guān)無關(guān)) c噪聲噪聲(與與成正比成正比)二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器

11、n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器中前置放大器中a噪聲和噪聲和b噪聲和噪聲和c噪聲噪聲 代入各噪聲分量的表達(dá)式，整理后得到的代入各噪聲分量的表達(dá)式，整理后得到的輸入端總的輸入端總的并聯(lián)噪聲并聯(lián)噪聲：其中其中 二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器中前置放大器中a噪聲和噪聲和b噪聲和噪聲和c噪聲噪聲 以以a、b、c輸入并聯(lián)電流噪聲表示的等效電路：輸入并聯(lián)電流噪聲表示的等效電路：等效輸入端電流噪聲等效輸入端電流噪聲等效輸出端電壓噪聲等效輸出端電壓噪聲二、電荷靈敏前置放大器二、電荷

12、靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析前置放大器中前置放大器中a噪聲和噪聲和b噪聲和噪聲和c噪聲噪聲 將前置放大器的輸入電流噪聲將前置放大器的輸入電流噪聲等效等效為為輸出電壓輸出電壓噪聲可噪聲可得：得： 可見，噪聲的可見，噪聲的功率譜密度函數(shù)功率譜密度函數(shù)即即 這一噪聲總表達(dá)式是很有用的，它為進(jìn)一步抑制噪聲，這一噪聲總表達(dá)式是很有用的，它為進(jìn)一步抑制噪聲，提高信噪比提供了提高信噪比提供了理論依據(jù)理論依據(jù)。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析降低前置放大器噪聲的措施降低前置放大器噪聲的

13、措施 （1）輸入級采用低噪聲器件輸入級采用低噪聲器件。目前。目前低溫低溫運用的運用的結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管型場效應(yīng)管具有最低的噪聲，在常溫下，結(jié)型場具有最低的噪聲，在常溫下，結(jié)型場效應(yīng)管的噪聲也比晶體管小得多，所以一般均采效應(yīng)管的噪聲也比晶體管小得多，所以一般均采用低噪聲場效應(yīng)管作輸入級放大管。用低噪聲場效應(yīng)管作輸入級放大管。 （2）低溫運用低溫運用。當(dāng)溫度。當(dāng)溫度T低時，低時，a噪聲較小噪聲較小，而且，而且由于探測器漏電流及場效應(yīng)管柵極漏電流減少也由于探測器漏電流及場效應(yīng)管柵極漏電流減少也使使b噪聲減少。特別是場效應(yīng)管的噪聲減少。特別是場效應(yīng)管的跨導(dǎo)跨導(dǎo)也與溫度有也與溫度有關(guān)，在一定溫度范圍內(nèi)，關(guān)，

14、在一定溫度范圍內(nèi)，gm值要比常溫大一倍左值要比常溫大一倍左右。右。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.3電荷靈敏前置放大器的噪聲分析電荷靈敏前置放大器的噪聲分析降低前置放大器噪聲的措施降低前置放大器噪聲的措施 （3）減少冷電容減少冷電容C。因為。因為C =CD+CS+CA+Cf，除，除了了CD、CA外，外，CS可采用輸入級緊靠探測器的辦法可采用輸入級緊靠探測器的辦法來減少，來減少，Cf則采用合適的反饋電容。則采用合適的反饋電容。 （4）反饋電阻反饋電阻Rf和探測器負(fù)載電阻和探測器負(fù)載電阻RD，常通過實，常通過實驗選用低噪聲電阻，阻值一般在驗選用低噪聲電阻，阻值一般在1091010

15、左右左右?？刹捎谜婵照讱W電阻或金屬膜電阻，并處于可采用真空兆歐電阻或金屬膜電阻，并處于低溫低溫工作，以降低熱噪聲。工作，以降低熱噪聲。（此外，還可從噪聲與頻率的關(guān)系，用濾波網(wǎng)絡(luò)來限制頻帶此外，還可從噪聲與頻率的關(guān)系，用濾波網(wǎng)絡(luò)來限制頻帶寬度寬度）二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)脈沖光反饋電荷靈敏前置放大器脈沖光反饋電荷靈敏前置放大器 使使Cf釋放電荷的一種方法是利用釋放電荷的一種方法是利用脈沖光反饋系統(tǒng)脈沖光反饋系統(tǒng)。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大

16、器的進(jìn)一步改進(jìn)脈沖光反饋電荷靈敏前置放大器脈沖光反饋電荷靈敏前置放大器 脈沖光反脈沖光反饋電荷靈饋電荷靈敏前置放敏前置放大器的波大器的波形分析。形分析。 二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)漏反饋電荷靈敏前置放大器漏反饋電荷靈敏前置放大器 利用場效應(yīng)管的利用場效應(yīng)管的柵流柵流Ig也可以使反饋電容也可以使反饋電容Cf釋放電荷，釋放電荷，與光反饋系統(tǒng)不同，柵流的大小由場效應(yīng)管源、漏極與光反饋系統(tǒng)不同，柵流的大小由場效應(yīng)管源、漏極之間的電壓控制。之間的電壓控制。探測器輸出的電流脈沖探測器輸出的電流脈沖iD在在反饋電容反饋電容

17、上不斷上不斷積積累累，放大器輸出電壓逐，放大器輸出電壓逐漸增長，次電壓經(jīng)積分漸增長，次電壓經(jīng)積分后加到場效應(yīng)管的漏極后加到場效應(yīng)管的漏極上，使上，使柵流柵流增加，從而增加，從而使使Cf放電。放電。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)漏反饋電荷靈敏前置放大器漏反饋電荷靈敏前置放大器 N溝道場效應(yīng)管柵極溝道場效應(yīng)管柵極電電流流Ig與漏源電壓與漏源電壓VDS有有關(guān)，當(dāng)關(guān)，當(dāng)VDS超過某一數(shù)超過某一數(shù)值后，值后，Ig隨隨VDS增加而增加而很快增加很快增加。因此，可以。因此，可以通過通過VDS控制控制Ig的大小。的大小。二、電荷

18、靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.4電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)電荷靈敏前置放大器的進(jìn)一步改進(jìn)晶體管復(fù)位電荷靈敏前置放大器晶體管復(fù)位電荷靈敏前置放大器 近年來，由于選用近年來，由于選用噪聲小、結(jié)電容小噪聲小、結(jié)電容小的晶體管，發(fā)展的晶體管，發(fā)展了晶體管復(fù)位電荷靈敏前置放大器。了晶體管復(fù)位電荷靈敏前置放大器。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.5電荷靈敏前置放大器噪聲的測量電荷靈敏前置放大器噪聲的測量根據(jù)噪聲對信號幅度的展寬測量噪聲根據(jù)噪聲對信號幅度的展寬測量噪聲測量原理：測量原理：等等幅信號幅信號輸入待輸入待測裝置時，其測裝置時，其輸出信號幅度輸出信號幅度譜的譜的半高寬

19、度半高寬度相當(dāng)于相當(dāng)于噪聲線噪聲線寬寬。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n為了保證測量精度，在標(biāo)定幅度分析器和測量噪聲線寬為了保證測量精度，在標(biāo)定幅度分析器和測量噪聲線寬時，應(yīng)調(diào)節(jié)好系統(tǒng)的增益和輸入信號幅度，使每個峰的時，應(yīng)調(diào)節(jié)好系統(tǒng)的增益和輸入信號幅度，使每個峰的半高寬不少于一定的道數(shù)；每個峰的最高計數(shù)道的計數(shù)半高寬不少于一定的道數(shù)；每個峰的最高計數(shù)道的計數(shù)也要夠高也要夠高。國際電工委員會推薦的數(shù)據(jù)是：每個峰的半。國際電工委員會推薦的數(shù)據(jù)是：每個峰的半高寬至少要有高寬至少要有20道，每個峰的最高計數(shù)道不少于道，每個峰的最高計數(shù)道不少于10000個計數(shù)。一般取個計數(shù)。一般取7-8道

20、以及幾千個計數(shù)。道以及幾千個計數(shù)。n精密脈沖發(fā)生器輸出的信號應(yīng)滿足以下要求精密脈沖發(fā)生器輸出的信號應(yīng)滿足以下要求 ： 上升要夠快上升要夠快，上升時間不大于主放大器中最短微分時間，上升時間不大于主放大器中最短微分時間常數(shù)的常數(shù)的20%；衰減要慢衰減要慢，在主放大器輸出脈沖達(dá)到峰值，在主放大器輸出脈沖達(dá)到峰值時刻，衰減不超過其高度的時刻，衰減不超過其高度的2%。推薦的數(shù)據(jù)是上升時。推薦的數(shù)據(jù)是上升時間小于間小于20ns，衰減時間常數(shù)大于，衰減時間常數(shù)大于100us。輸入端定標(biāo)電。輸入端定標(biāo)電容器容器Cc最好選用最好選用三端型電容器三端型電容器，這種電容器有一屏蔽端，這種電容器有一屏蔽端，使用時接地

21、。使用時接地。二、電荷靈敏前置放大器二、電荷靈敏前置放大器n2.5電荷靈敏前置放大器噪聲的測量電荷靈敏前置放大器噪聲的測量用示波器和寬頻帶電壓表測量噪聲用示波器和寬頻帶電壓表測量噪聲 用用寬頻帶均方根電壓表寬頻帶均方根電壓表代替上圖的脈沖幅度分析器，代替上圖的脈沖幅度分析器，在無信號輸入時，測量系統(tǒng)輸出的電壓均方根值，則在無信號輸入時，測量系統(tǒng)輸出的電壓均方根值，則噪聲線寬為：噪聲線寬為： 轉(zhuǎn)換為以轉(zhuǎn)換為以電荷電荷為單位的噪聲線寬：為單位的噪聲線寬： 轉(zhuǎn)換為以轉(zhuǎn)換為以能量能量為單位的噪聲線寬：為單位的噪聲線寬：三、電壓靈敏前置放大器三、電壓靈敏前置放大器 電壓前置放大器電壓前置放大器常與常與閃

22、爍探測器閃爍探測器配合使用，電路簡單。配合使用，電路簡單。不同探測器對電壓前置放大器的要求不一樣，如配合不同探測器對電壓前置放大器的要求不一樣，如配合光電倍增管光電倍增管時，由于輸出信號幅度較大，僅配一級時，由于輸出信號幅度較大，僅配一級射射級跟隨器級跟隨器即可；而對于氣體電離室或正比計數(shù)管，由即可；而對于氣體電離室或正比計數(shù)管，由于輸出信號較小，需有于輸出信號較小，需有較大的放大倍數(shù)較大的放大倍數(shù)；如用作時間；如用作時間測量，則主要考慮有測量，則主要考慮有較快上升時間和足夠的放大倍數(shù)較快上升時間和足夠的放大倍數(shù)。采用負(fù)反饋采用負(fù)反饋的電壓靈敏的電壓靈敏前置放大器前置放大器三、電壓靈敏前置放大

23、器三、電壓靈敏前置放大器 對于對于閃爍探測器閃爍探測器，為了使探頭輸出可以遠(yuǎn)傳，常直接，為了使探頭輸出可以遠(yuǎn)傳，常直接采用采用跟隨器形式跟隨器形式的電壓靈敏前置放大器。而的電壓靈敏前置放大器。而結(jié)型場效結(jié)型場效應(yīng)管具有高輸入阻抗和低噪聲的性能應(yīng)管具有高輸入阻抗和低噪聲的性能，仍被常用來作，仍被常用來作為電壓前置放大器的為電壓前置放大器的輸入級輸入級。采用場效采用場效應(yīng)管作為應(yīng)管作為輸入級的輸入級的電壓前置電壓前置放大器放大器 三、電壓靈敏前置放大器三、電壓靈敏前置放大器電電壓壓靈靈敏敏前前置置放放大大器器實實例例四、電流靈敏前置放大器四、電流靈敏前置放大器 電壓和電荷靈敏前置放大器的共同點是：電壓和電荷靈敏前置放大器的共同點是：當(dāng)探測當(dāng)探測器輸出電流脈沖時，都對輸入電容充電。器輸出電流脈沖時，都對輸入電容充電。它們輸它們輸出信號幅度都與射線出信號幅度都與射線能量能量成正比成正比，所以均可用于，所以均可用于能譜測量能譜測量。 電流靈敏前置放大器就是對輸入電流靈敏前置放大器就是對輸入電流響應(yīng)較快電流