核電子學(xué)方法中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

核電子學(xué)方法中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)第1頁/共24頁2前置放大器的分類在時(shí)間和能量測(cè)量系統(tǒng)中，前置放大器分別側(cè)重于保留信號(hào)的不同特點(diǎn)，可以分為兩大類：積分型放大器電壓靈敏前置放大器 對(duì)探測(cè)器信號(hào)先積分再放大電荷靈敏前置放大器 放大和積分同時(shí)進(jìn)行電流型放大器電流靈敏前置放大器 保留輸入電流信號(hào)的形狀特征第2頁/共24頁3電壓靈敏型前置放大器基本原理V-V電壓放大器

探測(cè)器電流信號(hào)在放大之前已被自然積分為電壓信號(hào)。近似認(rèn)為探測(cè)器電流iD(t)=Qd(t)§4、積分型前置放大器第3頁/共24頁4電壓靈敏前置放大器典型電路懷射極特跟隨器對(duì)正負(fù)脈沖都有較好的過渡特性當(dāng)輸入正脈沖時(shí)，T1電流變小，輸出電流如藍(lán)色箭頭方向當(dāng)輸入負(fù)脈沖時(shí)，T1電流變大，輸出電流如綠色箭頭方向C*為加速電容，正脈沖瞬間，T1電流減小，通過電容的耦合，降低T2的b,e極電壓，增加輸出電流。同理，負(fù)脈沖瞬間，c*會(huì)減少輸出電流。光電倍增管的輸出電路第4頁/共24頁5電壓靈敏前置放大器的特性電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單前放輸出電壓的幅度為VOM=AQ/Ci

而Ci=CD+CS+CAiCD

隨外加偏壓而變化；CS隨引線長(zhǎng)短、元件位置因素變化而變化，Cai與放大器工作狀態(tài)有關(guān)。這些因素將使VOM的值在不同條件下發(fā)生變化，輸出電壓的精度不高，一般用在探測(cè)器輸出信號(hào)幅度較大，精度要求不高系統(tǒng)。如接在閃爍探測(cè)器后面。如果在輸入端并聯(lián)大的電容？

幅度，噪聲第5頁/共24頁6電荷靈敏前置放大器基本結(jié)構(gòu)和工作原理由高輸入阻抗、高增益的倒相放大器與一個(gè)反饋電容組成的負(fù)反饋放大器。

第6頁/共24頁7另外，從放大器的輸入端看：由于密勒效應(yīng)，電容相當(dāng)于被放大了（1+A)倍Cif=Ci+(1+A)Cf原電路可以等效成VOM

為輸出信號(hào)幅度，它僅僅決定于Cf值和Q的大小，將不隨Ci或A的不穩(wěn)定而變化，只要Cf值恒定，輸出信號(hào)幅度保持與電荷量正比關(guān)系。

第7頁/共24頁8典型電路T1管為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，接成共源放大器。T2為共基放大器，電流電壓T3管接成一個(gè)射極跟隨器作為輸出極。

T1管的變換增益（T1管的跨導(dǎo)）T2管的變換增益 T3管的變換增益G3=1此放大器的開環(huán)增益為

若

，則A0=2500>>1第8頁/共24頁9應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）與反饋電容并聯(lián)的電阻起到泄放上電荷的作用，一般取值為108—109Ω，太小了會(huì)增加噪聲，太大了起不到泄放作用。另一個(gè)作用是產(chǎn)生直流負(fù)反饋以穩(wěn)定放大器直流工作點(diǎn)。（2）探測(cè)器與放大器之間用電容起到隔直作用。一般取值為幾千pF量級(jí)。耐壓為幾千伏。（3）T2管采用共基電路的目的是為了減小因米勒效應(yīng)引起輸入電容的增加，使保持在很小值。第9頁/共24頁10電荷放大器的主要性能指標(biāo)

1．電荷——電壓轉(zhuǎn)換增益GQV：

定義為單位輸入電荷產(chǎn)生的輸出電壓幅度，即

若把探測(cè)器也包括在內(nèi)，定義能量——電壓轉(zhuǎn)換增益

其中e為電子電荷，等于1.6×10-19庫侖，為平均電離能，對(duì)于硅半導(dǎo)體探測(cè)器，則第10頁/共24頁112．上升時(shí)間

(10%-90%)實(shí)際放大器具有一定頻帶寬，對(duì)頻帶影響最大的是T2管集電極電路，考慮到并聯(lián)的還有負(fù)載電容，放大器在開環(huán)情況下，可以計(jì)算其上升時(shí)間為：

構(gòu)成電荷靈敏放大器后，反饋系數(shù)

閉環(huán)時(shí)的上升時(shí)間：通?？梢詽M足

Ca=5pF,Ci=5pf,Cf=1pf,gm=5mA/V,則有tr=13ns第11頁/共24頁123．輸出電壓穩(wěn)定性

我們要求輸出電壓幅度盡可能不隨開環(huán)放大倍數(shù)和輸入電容的變化而變化，可以用輸出幅度相對(duì)變化來衡量其穩(wěn)定性的好壞。

為了提高穩(wěn)定性，可以增大開環(huán)增益A0，提高反饋系數(shù)F(減小Ci)。第12頁/共24頁134．輸入阻抗：如果放大器頻帶無限寬（低頻輸入）反饋回路的阻抗對(duì)輸入阻抗的貢獻(xiàn)為：

因而輸入電阻

輸入電容 在考慮到放大器的頻帶有限情況（高頻輸入）輸入電阻 輸入電容 第13頁/共24頁14

盡管探測(cè)器輸出的每個(gè)電信號(hào)在電荷靈敏放大器產(chǎn)生的輸出電壓并不大，但是每輸出一個(gè)信號(hào)都在Cf上積累起來，雖然Rf

能泄放其上電荷，但tf=RfCf由于很大，泄放很慢，就會(huì)造成信號(hào)堆積。

5.動(dòng)態(tài)范圍和最高計(jì)數(shù)率第14頁/共24頁15可以用坎貝爾(Campbell)定理來計(jì)算輸出端平均直流電平及其漲落:

可以認(rèn)為Vo(t)的漲落服從高斯分布。第15頁/共24頁16實(shí)際輸出電壓的瞬時(shí)值，落在

若希望99%的信號(hào)都被放大，即要求放大器動(dòng)態(tài)范圍不小于若放大器變換增益為440mV/1MeV,對(duì)于能量為1MeV的粒子(平均計(jì)數(shù)率為10kc/s)，動(dòng)態(tài)范圍要大于7V。第16頁/共24頁17為了減小對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求，探測(cè)器與電荷靈敏放大器之間采用交流耦合這樣可以使直流分量為零，即動(dòng)態(tài)范圍僅僅要求：交流耦合第17頁/共24頁18電荷靈敏放大器電路實(shí)例

阻容反饋式T3,T4組成復(fù)合跟隨器，以提高其輸入阻抗，實(shí)質(zhì)上提高了T2管集電極的負(fù)載電阻。C13自舉電路用以提高T2管R11、R12支路的阻抗，達(dá)到增加開環(huán)增益的目的。W1用來調(diào)節(jié)T3管偏流，通過它調(diào)節(jié)輸出靜態(tài)工作點(diǎn)，經(jīng)R5反饋調(diào)節(jié)T1管的靜態(tài)偏置；W2調(diào)節(jié)T2管基極電位,達(dá)到調(diào)節(jié)管T1漏極與源極間電壓，使其有合適的工作點(diǎn)。輸入端有接探測(cè)器輸出端和檢驗(yàn)端二個(gè)接頭。圖中反饋電容C6接在隔直電容C7的左端。若接在右端，要求增大C7才能減小探測(cè)器電容的影響，接在左端就不存在這個(gè)問題了。C*與R9組成自舉電路，有效地提高了T3管輸入阻抗，從而使T3管增益更接近于1。C8與R7并聯(lián)電路反饋到管發(fā)射極用以改善其過渡特性。為了減小各放大級(jí)之間通過電源發(fā)生內(nèi)耦合，電路中采用了多級(jí)去耦電路，以防止振蕩。

第18頁/共24頁19為了防止并聯(lián)電阻引起的噪聲，可以不用電阻Rf對(duì)電容放電，而采用以下電路原理：Vo超過閾值發(fā)光柵流Ig增加，放電到下閾值停止放電脈沖光反饋式第19頁/共24頁20§5 電流靈敏前置放大器

目的：

輸出信號(hào)在形狀上與探測(cè)器電流脈沖相接近。要求：⑴前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)非常小，一般要求遠(yuǎn)小于電流脈沖的寬度。⑵放大器頻帶很寬，一般要求在幾百兆赫茲以上。第20頁/共24頁21電流靈敏前置放大器實(shí)現(xiàn)方法電壓-電壓型放大器

在輸入端并聯(lián)上小電阻，在電阻上形成電壓信號(hào)。電阻一般選為50Ω，適合于信號(hào)幅度較大的情況。對(duì)V-V放大器要求其上升時(shí)間很小，一般在ns量級(jí)。

第21頁/共24頁22并聯(lián)負(fù)反饋放大器

Vo(t)=iD(t)Rf電荷靈敏放大后微分輸出電荷靈敏放大器起到對(duì)電流脈沖的積分，若再采用微分電路將其恢復(fù)回來。既可以獲得與電荷量正比的電壓信號(hào)，同時(shí)獲得寬度