核电子学与核仪器-课件6.pptx

《核电子学与核仪器-课件6.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核电子学与核仪器-课件6.pptx（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、核电子学与核仪器覃国秀Tel:2023/04/23上次课关键点n 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n 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n 结型场效应管场场效效应应管管和和一一般般三三极极管管一一样样，可可以以看看作作是是受受控控的的电电流流源源，但但它它是是一一种种电电压压操操作的电流源。作的电流源。转移特性曲线：转移特性曲线：是指在一定漏源电压 是指在一定漏源电压 U UDS DS作用

2、作用下，栅极电压 下，栅极电压 U UGS GS对漏极电流 对漏极电流I ID D的操作关系曲线。的操作关系曲线。引入n 结型场效应管输出特性曲线：输出特性曲线：是是指指在在一一定定栅栅极极电电压压UUGSGS作作用用下下，IIDD与与UUDSDS之之间的关系曲线。间的关系曲线。引入n 结型场效应管场场效效应应管管放放大大电电路路的的静态分析：静态分析：场场效效应应管管是是电电压压操操作作器器件件，它它没没有有偏偏流流，关关键键是是建建立立适适当当的的栅栅源偏压源偏压UUGSGS。引入n 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操

3、作端，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：n 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n 三、电压灵敏前置放大器n 四、电流灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析n 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

4、定整个装置的噪声中起着主要的作用。n 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n 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n 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n 探测器漏电流噪声n 电阻RD热噪声n 场效应管栅极漏电流噪声n 场效应管沟道噪声二、电荷灵敏前置放大器n 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n 场效应管闪烁噪声n 反响电阻热噪声场效应管的栅极感应噪声，由于工艺改进，

5、通常可忽略。二、电荷灵敏前置放大器n 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n 并联电流噪声源 并联电流噪声源 和信号源是并联的。Rf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。n 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n 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n 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 当反响足

6、够深时 由图(a)由图(b)最终得到二、电荷灵敏前置放大器n 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Cf本身不大，冷电容是由输入端的总电容Ci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Cf的作用。二、电荷灵敏前置放大器n 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n 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

7、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n 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n 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n 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

8、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n 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，gm值要比常温大一倍左右。二、电荷灵敏前置放大器n 2.3电荷灵敏前置放大器的

9、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=CD+CS+CA+Cf，除了CD、CA外，CS可采用输入级紧靠探测器的方法来减少，Cf则采用适宜的反响电容。（4）反响电阻Rf和探测器负载电阻RD，常通过实验选用低噪声电阻，阻值一般在1091010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n 2.4电荷灵敏前置放大器的进一步改进脉冲光反响电荷灵敏前置放大器 使Cf释放电荷的一种方法是利用脉冲光反响系统。二、电荷灵敏前置放大器n 2.4电荷灵敏前置放大器的进一步改进脉冲光反响电荷灵

10、敏前置放大器 脉冲光反响电荷灵敏前置放大器的波形分析。二、电荷灵敏前置放大器n 2.4电荷灵敏前置放大器的进一步改进漏反响电荷灵敏前置放大器 利用场效应管的栅流Ig也可以使反响电容Cf释放电荷，与光反响系统不同，栅流的大小由场效应管源、漏极之间的电压操作。探测器输出的电流脉冲iD在反响电容上不断积累，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Cf放电。二、电荷灵敏前置放大器n 2.4电荷灵敏前置放大器的进一步改进漏反响电荷灵敏前置放大器 N沟道场效应管栅极电流Ig与漏源电压VDS有关，当VDS超过某一数值后，Ig随VDS增加而很快增加。因此，可以通过VDS操

11、作Ig的大小。二、电荷灵敏前置放大器n 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，开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n 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n 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 会推举的数据是：每个峰的半高宽至少要有20道，每个峰的最高

12、计数道不少于10000个计数。一般取7-8道以及几千个计数。n 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到达峰值时刻，衰减不超过其高度的2%。推举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n 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

13、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。采用负反响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

14、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 当电路的负反响电阻Rf取值较小时：Cf的并联作用可以忽略；如果Ri/Ci阻抗较大时，对输入端阻抗来说Rf起主要作用，而且是深度负反响。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Rf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n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n三、电压灵敏前置放大器 电压灵敏前置放大器的结构、特点n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！