第二章前置放大器优秀PPT.ppt

第二章前置放大器第一页，本课件共有60页放大器的的作用和分类放大器的的作用和分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器(1)(1)熟练掌握：电荷灵敏前置放大器的结构和实例分析。熟练掌握：电荷灵敏前置放大器的结构和实例分析。(2)(2)掌握：电压灵敏和电流灵敏前置放大器的特点。掌握：电压灵敏和电流灵敏前置放大器的特点。第二页，本课件共有60页3前置放大器前置放大器与探测器输出直接相联的电路称为与探测器输出直接相联的电路称为前置级前置级，一般这部分，一般这部分电路具有信号放大功能，故称为电路具有信号放大功能，故称为前置放大器前置放大器。核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要核辐射测量中，探测器输出的信号往往较小，需要加以放大再进行测量。探测器加以放大再进行测量。探测器-放大器系统的连接方式所放大器系统的连接方式所示，其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。示，其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。第三页，本课件共有60页前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输出前置放大器（预放大器、前放）放在探测器附近，输出经高频电缆与主放大器相连。经高频电缆与主放大器相连。4前置放大器的作用前置放大器的作用1.1.提高系统的信噪比提高系统的信噪比在探测器与放大器连接处存在分布电容在探测器与放大器连接处存在分布电容CsCs。后面将证明，。后面将证明，CsCs越越小，则系统的信噪比越高。减小小，则系统的信噪比越高。减小CsCs的一个主要措施就是将放大器尽的一个主要措施就是将放大器尽量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。如果把整个放大器和量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。如果把整个放大器和探测器安装在一起，系统比较笨重，并且可能受到探测器周围条件的探测器安装在一起，系统比较笨重，并且可能受到探测器周围条件的限制，例如空间太小、核辐射太强等，常不便放置或操作。因此往往限制，例如空间太小、核辐射太强等，常不便放置或操作。因此往往将放大器分为前置放大器和主放大器。前置放大器的体积小，紧靠探将放大器分为前置放大器和主放大器。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测器构成一个整体测器并与探测器构成一个整体(称探头称探头)，这样就减小了，这样就减小了CsCs，提高了，提高了信噪比。主放大器则通过电缆和探头相连，仪器本身以及使用人信噪比。主放大器则通过电缆和探头相连，仪器本身以及使用人员的工作条件也就摆脱了现场条件的限制。员的工作条件也就摆脱了现场条件的限制。第四页，本课件共有60页52.2.减少外界干扰的相对影响减少外界干扰的相对影响 前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干扰。前置放大器输出的信号沿电缆传送过程中受到干外界干扰。前置放大器输出的信号沿电缆传送过程中受到干扰时，由于信号已经过放大，干扰对信号的影响相对减小。扰时，由于信号已经过放大，干扰对信号的影响相对减小。为了减小外界干扰的影响，除了前置放大器要有良好的屏蔽为了减小外界干扰的影响，除了前置放大器要有良好的屏蔽以及足够的放大倍数外，在传送弱信号时，所用电缆也要有以及足够的放大倍数外，在传送弱信号时，所用电缆也要有良好的屏蔽和噪声性能，必要时还需使用低噪声双层屏蔽电良好的屏蔽和噪声性能，必要时还需使用低噪声双层屏蔽电缆或双芯电缆如图。后者要求主放大器为差分输入。缆或双芯电缆如图。后者要求主放大器为差分输入。第五页，本课件共有60页3.3.合理布局，便于调节和使用合理布局，便于调节和使用(前放为非调节式前放为非调节式,主放放大调节倍数、成主放放大调节倍数、成形常数形常数)4.4.实现阻抗转换和匹配实现阻抗转换和匹配 (前放设计为高输入阻抗前放设计为高输入阻抗,低输出阻抗低输出阻抗)6第六页，本课件共有60页7信号的预放大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为放大器输入电容第七页，本课件共有60页8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：I.积分型放大器电压灵敏前置放大器对探测器信号先积分再放大电荷灵敏前置放大器放大和积分同时进行II.电流型放大器电流灵敏前置放大器保留输入电流信号的形状特征第八页，本课件共有60页9电压灵敏型前置放大器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。探测器电流 iD(t)积分型前置放大器积分型前置放大器第九页，本课件共有60页10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+CAiCD 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，噪声第十页，本课件共有60页11电荷灵敏前置放大器基本结构和工作原理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。第十一页，本课件共有60页12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。第十二页，本课件共有60页13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。第十三页，本课件共有60页3.3.电流灵敏前放电流灵敏前放(电流前放电流前放,并联反馈电流放大器并联反馈电流放大器)图图2.1.52.1.5 1,21,2用于能谱测量用于能谱测量,3,3用于时间测量用于时间测量.第十四页，本课件共有60页 2.2.电荷灵敏前放电荷灵敏前放 输出增益稳定、噪声低、性能良好输出增益稳定、噪声低、性能良好一主要特征主要特征1.1.变换增益变换增益(电荷灵敏度电荷灵敏度)能量变换增益能量变换增益第十五页，本课件共有60页2.2.输出稳定性输出稳定性令令 F=C F=Cf f/(C/(Ci i+C+Cf f)C)Cf f/C/Ci i 若若 A A0 01,A1,A0 0 F1F1。A A0 0 F F足够大时，稳定足够大时，稳定。第十六页，本课件共有60页17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)。第十七页，本课件共有60页 3 3输出噪声输出噪声（能量噪声半宽度）（能量噪声半宽度）例：能量噪声半宽度例：能量噪声半宽度 FWHM(Ge)=1Ke+0.03Ke/PF FWHM(Ge)=1Ke+0.03Ke/PF （无电容时等效噪声能量半宽度（无电容时等效噪声能量半宽度 噪声斜率）噪声斜率）4 4上升时间（上升时间（t tr r）:输入冲击电流输入冲击电流Q(t)Q(t)时上升时间（时上升时间（10%-10%-90%V90%VOMOM时间）时间）,10,101 1nsns级级 第十八页，本课件共有60页19 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。5.5.动态范围和最高计数率动态范围和最高计数率第十九页，本课件共有60页20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。第二十页，本课件共有60页21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。第二十一页，本课件共有60页22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：交流耦合第二十二页，本课件共有60页三种组态的特点及用途三种组态的特点及用途共射极放大电路：共射极放大电路：电压和电流增益都大于电压和电流增益都大于1 1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路：共集电极放大电路：只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。级。共基极放大电路：共基极放大电路：只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。中亦兼有电位移动的功能。放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较第二十三页，本课件共有60页第二十四页，本课件共有60页25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。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 1第二十五页，本课件共有60页二电荷灵敏前放基本电路和实例分析二电荷灵敏前放基本电路和实例分析图图2.2.52.2.51.1.电路分析（输入级电路分析（输入级T1T1；放大级；放大级T2T2；输出级；输出级T3T3、T4T4）偏压及滤波；测试；反馈偏压及滤波；测试；反馈 正反馈正反馈R R6 6C C7 7改变输出脉冲上升时间；改变输出脉冲上升时间；退耦退耦LCLC、RCRC。2 2定量估算定量估算(1)(1)开环增益开环增益A A0 0 v v0 0vve3e3iic2c2R Ra2a2=-i=-ic1c1R Ra2a2=-g=-gm mv vi iR Ra2a2 A A0 0=|V=|VOMOM/V/ViMiM|=g|=gm mR Ra2a2=g=gm mR Ra2a2/(1-A/(1-A3 3)3000)3000倍倍(2)(2)上升时间上升时间 t tr0r0=2.2R=2.2Ra2a2C Ca2a2/(1+A/(1+A0 0F)2.2CF)2.2Ca a(C(Ci i+C+Cf f)/(g)/(gm mC Cf f)22ns)22ns图图2.2.62.2.6第二十六页，本课件共有60页 第二十七页，本课件共有60页第二十八页，本课件共有60页路中加入中间放大级。路中加入中间放大级。第二十九页，本课件共有60页 第三十页，本课件共有60页反馈的基本概念反馈的基本概念凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为就称为反馈反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈负反馈。若。若引回的信号增强了输入信号，就称为引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是输入信号的相位关系，同相是正反馈正反馈，反相，反相是是负反馈负反馈。1.概述HOME第三十一页，本课件共有60页放大器放大器输出输出输入输入取取+加强输入信号加强输入信号 正反馈正反馈 用于振荡器用于振荡器取取-削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 用于放大器用于放大器开环开环闭环闭环负反馈的作用：负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈网络反馈网络叠加叠加反馈信反馈信号号实际被放大信号实际被放大信号反馈框图：反馈框图：HOME第三十二页，本课件共有60页负反馈框图：负反馈框图：基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号差值信号差值信号开环放大倍数开环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数反馈系数反馈系数差值信号差值信号HOME第三十三页，本课件共有60页负反馈放大器的一般关系：负反馈放大器的一般关系：基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+当当 AoF 1时，时，反馈深度反馈深度结论：当结论：当 AoF 1 很大时，很大时，AF 只与反馈网络有关。即负反只与反馈网络有关。即负反 馈可以稳定放大倍数。馈可以稳定放大倍数。HOMEAoF1 为深度负反馈为深度负反馈第三十四页，本课件共有60页电荷灵敏前置放大器的噪声分析和抑电荷灵敏前置放大器的噪声分析和抑制措施制措施 高分辨率能谱测量装置中，要求探测器高分辨率能谱测量装置中，要求探测器-放大器系统具放大器系统具有良好的信噪比。下面结合半导体探测器和结型场效应管输有良好的信噪比。下面结合半导体探测器和结型场效应管输入放大级构成的系统进行讨论。前者的应用范围广、固有能入放大级构成的系统进行讨论。前者的应用范围广、固有能量分辨率好，后者的噪声小，所以这种系统在能量测量中具量分辨率好，后者的噪声小，所以这种系统在能量测量中具有典型意义。此外，在放大器中只考虑前置放大器第一级产有典型意义。此外，在放大器中只考虑前置放大器第一级产生的噪声，因为这些噪声得到后面各级的放大，往往起着决生的噪声，因为这些噪声得到后面各级的放大，往往起着决定性的作用。定性的作用。第三十五页，本课件共有60页并联噪声并联噪声（与探测器电流信号并联）：探测器漏电流噪声（半导体探测器）场效应管栅极电流噪声偏压电阻RD 热噪声泄放电阻Rf 热噪声串联噪声串联噪声（与探测器电流信号串联）：场效应管的沟道热噪声场效应管的低频噪声 3.3.探测器和电荷灵敏放大器探测器和电荷灵敏放大器输入电路输入电路的噪声分析的噪声分析 第三十六页，本课件共有60页电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 探测器漏电流噪声偏压电阻热噪声 场效应管栅极电流噪声 场效应管沟道热噪声 场效应管低频噪声反馈电阻Rf 热噪声第三十七页，本课件共有60页串联噪声源等效到并联噪声的等效关系第三十八页，本课件共有60页我们可以把串联噪声源等效到并联噪声，得到按噪声电流和频率关系可分为三部分，其中，电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 第三十九页，本课件共有60页电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 将噪声等效到输出端，噪声功率谱密度：第四十页，本课件共有60页降低噪声的方法：器件选择低频噪声小的器件；选择栅极漏电流小的场效应管热噪声与R成反比，RD和Rf 电阻值取大一些，或用其它方法放电，选用低介质损耗的电容；减少冷电容；选择合适的反馈电容环境探测器的反向漏电流在低温下可以降低降低温度，减少热噪声；滤波网络第四十一页，本课件共有60页42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脉冲光反馈式第四十二页，本课件共有60页43电流灵敏放大器的特点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。第四十三页，本课件共有60页噪声的测量 噪声测量噪声测量第四十四页，本课件共有60页噪声的测量 1.标定测量分析仪器 多道幅度分析仪 已知能量的放射源（例如56Fe，有5.89KeV和6.59KeV二个X射线）通过探测器，此系统测量能谱用来标定多道分析器得到二条谱线，求得每道对应的能量值。2.移去放射源。由精密脉冲源输入固定幅度的信号，这时测得的幅度谱的半高宽就代表了噪声的线宽 第四十五页，本课件共有60页为了保证测量精度，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1O000个计数。一般取78道以及几千个计数。如果要测量除探测器外的电子学系统的噪声，测量时应将探测器和前置放大器的连线断开。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100 s。输入端定标龟容器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。电容Cc一般安装在前置放大器内，其值可取lpF。第四十六页，本课件共有60页第四十七页，本课件共有60页第四十八页，本课件共有60页测量用电压表的上限频率至少要为成形网络频率特性中心频率的l0倍，以保证把放大器输出端各种噪声分量都包括在内。电压表的3dB带宽一般应在10MHz以上。应当注意，一般电压表响应于输入信号的整流平均值，并按纯正弦输入信号刻度为有效值。用这种电压表测量噪声时，其读数乘以1.13才是所测噪声电压的有效值。当系统内有偏置放大器(或称阈放大器、切割放大器)，只放大超过偏置电压的那部分信号时；或者系统内有基线恢复器，改变了噪声特性时，无信号输出时的输出噪声不同于有信号输出时叠加在输出信号峰值附近的噪声，所以不能用电压表方法而只能甩多道分析器方法测量噪声。第四十九页，本课件共有60页50电压灵敏型前置放大器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)第五十页，本课件共有60页51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。第五十一页，本课件共有60页 为了提高工作稳定性，为了提高工作稳定性，并改善上升时间，采用并改善上升时间，采用了一定的负反馈。此时了一定的负反馈。此时放大器增益：放大器增益：A=vA=v0 0/v/vi i=(R(R2 2+R+R1 1)/R)/R1 1 一般说来，电压灵敏前置放大器的噪声要比电荷灵敏前置放一般说来，电压灵敏前置放大器的噪声要比电荷灵敏前置放大器的噪声大，因此往往不直接作为前置级；但作为电荷灵敏前置大器的噪声大，因此往往不直接作为前置级；但作为电荷灵敏前置放大器的后继电路，可使信号电压进一步放大。放大器的后继电路，可使信号电压进一步放大。第五十二页，本课件共有60页理想集成运放工作于线性区理想集成运放工作于线性区 理想运放工作于线性区：理想运放工作于线性区：“虚虚短短”：运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电位位“无无穷穷”接接近近，好好象象短短路路一一样样，但但却却不是真正的短路。不是真正的短路。“虚虚断断”：运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电流流趋趋于于0，好好象象断断路路一一样样，但但却却不不是真正的断路。是真正的断路。第五十三页，本课件共有60页第五十四页，本课件共有60页电压前放的一个实例电压前放的一个实例第五十五页，本课件共有60页电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器就是对电电流灵敏前置放大器就是对电流响应较快的放大器，也称为流响应较快的放大器，也称为快前置放大器，它是对探测器快前置放大器，它是对探测器输出电流信号直接进行放大，输出电流信号直接进行放大，不是积分成电压，而是输出电不是积分成电压，而是输出电压或电流幅度与输入电流成正压或电流幅度与输入电流成正比。比。第五十六页，本课件共有60页电流灵敏前置放大器第五十七页，本课件共有60页 获取精确的时间信息获取精确的时间信息 在核辐射测量中，常常要确定核事件产生的时刻。可以利用探测器输出电流的前沿提供这种时间信息。由于信号一般很弱，需要先加以放大，这时往往使用电流灵敏前置放大器。与普通的电压放大器比较，电流放大器输出信号的前沿快，因而定时比较精确。用于高计数率或高本底情况下的强度测量系统用于高计数率或高本底情况下的强度测量系统 电流放大器输出信号的宽度窄，所以可工作在高计数率情况。如使用电压放大器，因其输入阻抗大，电流信号常被积分为宽度较大的电压信号，在计数率高时，堆积效应将使放大器过载。电流灵敏放大器的特点电流灵敏放大器的特点第五十八页，本课件共有60页 用于能谱测量系统用于能谱测量系统 在能谱测量中，应对探测器输出的电流信号进行积分，这种积分通常直接由电荷或电压灵敏前置放大器完成。但有时希望先将电流信号放大，然后积分。例如，在高幅度本底脉冲下测信号能谱时，为了避免本底脉冲使放大器产生幅度过载，可在电流脉冲积分前利用选通技术选出有用信号。由于选通时要求信号有足够犬的幅度，因此，往往要先对探测器输出的电流脉冲进行放大。其他其他 如利用带电粒子在探测器中产生的电流脉冲形状不同来鉴别粒子种类(例如鉴别质子与电子)，以及研究探测器电流脉冲的形状等。电流灵敏放大器的特点电流灵敏放大器的特点第五十九页，本课件共有60页电流灵敏前置放大器第六十页，本课件共有60页