前置放大器 在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量存在，工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器

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1 前置放大器 在实际测量中，探测器附近总有一定的辐射剂量存在，工作人员必须远离辐射现场来操作测量仪器
为了减少探测器输出端到放大器输入端之间的分布电容的影响，减少外界干扰，提高信噪比，并使联接信号用的高频电缆阻抗相匹配，通常把与探测器输出直接相联的电路称为前置放大器（又称为预放大器）

2 前置放大器：功能 从探测器输出端获得所需的电信号（能量、时间） 预放大探测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比 幅度和电荷量成正比的电压信号
和探测器电流信号波形相近的电信号 预放大探测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比 探测器工作紧靠辐射源，空间狭窄，环境恶劣 探测器与放大器连接的传输线越长，分布电容Cs越大

3 前置放大器：功能 进行阻抗变换，减少信号传输中的干扰 前置放大器的功能主要是使能量、时间的测量更加准确
在长线传输过程中，外界电磁场对信号的干扰不可忽视 探测器要求后期有很高的输入阻抗以利于信号输出，而前置放大器通过电缆远距离传送给主放大器时，则要求有能和电缆阻抗相匹配的低的输出阻抗及传递信号 前置放大器的功能主要是使能量、时间的测量更加准确

4 探测器和前放电路的等效模型 探测器和前放电路可等效为： 其中CD为探测器输出电容，CS为引线分布电容，CAi为放大器输入电容
从输出端看，有输入电容：Ci=CD+CS+CAi 输出端电压为：vi(t)=Q/Ci

5 前置放大器：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，可以分为积分型放大器和电流型放大器 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 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

6 电压灵敏前置放大器 电压灵敏型前置放大器实际上就是电压放大器，其基本原理就是电压-电压放大

7 电压灵敏前置放大器 若近似认为探测器电流 iD(t) = Qδ(t)，则有：

8 电压灵敏前置放大器 电压灵敏前置放大器的典型电路： 怀特射极跟随器：对正负脉冲都有较好的过渡特性
加速电容C*：正脉冲时增加输出电流，负脉冲时减小输出电流

9 电压灵敏前置放大器 电压灵敏型前置放大器电路结构简单，但前放输出电压的幅度受Ci变化影响较大，输出电压的精度不高
CD随外加偏压而变化，CS随引线长短、元件位置等因素而变化，CAi与放大器工作状态有关 一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要求不高的系统，如闪烁探测器后面

10 电荷灵敏前置放大器 基本结构：带有电容负反馈的电流积分器 由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈电容组成
从放大器的输入端来看，有输入电容：Cif=Ci+(1+A0)Cf

11 电荷灵敏前置放大器 工作原理：在复频域内，该电路方程可写为 可得： 设 ，则：

12 电荷灵敏前置放大器 当A >> 1时，有： 输出信号幅度VOM ，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
常用于高能量分辨率能谱仪系统

13 电荷灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器的典型电路：
T1作为输入级，接成共源放大器；T2是放大级，接成共基放大器；T3接成射极跟随器，作为输出级

14 电荷灵敏前置放大器 输入级T1、放大级T2及输出级T3的变换增益为： 则此放大器的开环增益为：
若gm=5mA/V，Ra=500KΩ，则A0=2500>>1

15 电荷灵敏前置放大器 在反馈电容Cf上，并联了一个反馈电阻Rf 探测器与前放之间利用电容隔开，隔直电容一般取nF量级，耐压值为几千伏
T2采用共基级电路，可以减小因米勒效应引起的输入电容的增加

16 电荷灵敏放大器的主要指标 电荷-电压转换增益GQV： 定义为单位输入电荷产生的输出电压幅度，即 若将探测器也包括在内，则有：
其中e为电子电荷， 为平均电离能 对Si半导体探测器，其平均电离能约3.6eV，则其能量-电压转换增益为：GEV=44mV/MeV

17 电荷灵敏放大器的主要指标 上升时间： 实际放大器具有一定频带宽，同时负载电容对上升时间也会产生额外的影响
若放大器在开环状态下，则其上升时间可计算为： 对于电荷灵敏放大器，其反馈系数F=Cf/(Ci+Cf)，则闭环时有： 若Ca=5pf，Ci=5pf，Cf=1pf，gm=5mA/V，则tr≈13ns

18 电荷灵敏放大器的主要指标 输出电压稳定性： 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稳定性的好坏 为了提高稳定性，可以增大开环增益A0，或提高反馈系数F

19 电荷灵敏放大器的主要指标 输入阻抗： 如果放大器频带无限宽（低频输入），则： 考虑到放大器的频带有限情况（高频输入），有：

20 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率： 对于直流耦合下的电荷灵敏放大器，其传输函数可写为： 则由拉氏变换可得：
若Rf=10MΩ，Cf=1pf，则τf≈10ms

21 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率：
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 Rf虽然能泄放Cf上的电荷，但由于τf = RfCf 很大，泄放很慢，就会造成信号堆积

22 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率： 利用坎贝尔定理来计算输出端的平均直流电平及其涨落： 将vo(t)代入，则有：
即堆积情况下，输出信号的电压平均值为单个输出信号电压幅度的Rτf倍

23 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率： 输出电压的均方根偏差与平均计数率R有关：
当R>>1/τf时，可认为Vo(t)的涨落满足高斯分布

24 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率：
由概率论可知，实际输出电压的瞬时值落在 区间内的概率为99%，即若希望99%的信号都被放大，则要求放大器的动态范围不小于： 若R=10kc/s，τf=10ms，则动态范围至少为：16Vom 若放大器变换增益为44mV/MeV，则在R=10kc/s，对于能量为1MeV的粒子，测量动态范围要大于700mV

25 电荷灵敏放大器的主要指标 动态范围和最高计数率：
若探测器与电荷灵敏放大器之间采用交流耦合的方式，可使输出电压直流分量为零，则动态范围的要求可缩小为±2.6σVo

26 电荷灵敏放大器电路实例

27 电荷灵敏放大器电路实例 T1的漏极接一个50mH电感L2以提高漏极交流负载阻抗，使更多电流注入到T2的射极
T3、T4组成复合跟随器，以提高其输入阻抗 C13自举电路用以提高T2管R11、R12支路的阻抗，达到增加开环增益的目的 W1通过调节T3管偏流，经R5反馈调节T1管的静态偏置，以调节输出静态工作点

28 电荷灵敏放大器电路实例 W2调节T2管基极电位，达到调节管T1漏极与源极间电压，使其有合适的工作点
C*与R9组成自举电路，有效地提高了T3管集电极阻抗 C8与R7并联电路反馈到发射极用以改善其过渡特性 为了减小各放大级之间通过电源发生内耦合，电路中采用了多级RC或LC去耦电路，以防止振荡

29 电荷灵敏放大器电路实例 反馈电容C6接在隔直电容C7的左端。若接在右端，输出电荷由C7、(1+A0)C6串联后和CD按比例分配，要增加C6上的电荷分配比例，就要增加C7，这将导致分布电容增加，从而使信噪比降低。若接在左端，就不存在这个问题了，但此时反馈电容也必须具备耐高压特性，因而会增加反馈电容的体积

30 电荷灵敏放大器的设计元件选择 放大器： 反馈电容： 在输入级必须选用低噪声放大器
在高分辨率能谱仪中，探测器及前置放大器若工作在低温状态下，可以显著改善系统的噪声 反馈电容： 反馈电容Cf的大小影响系统的分辨率，Cf大则噪声大，Cf过小则反馈深度小，输出幅度稳定性变坏 Cf常取pF量级，并且要有很好的稳定性

31 电荷灵敏放大器的设计元件选择 反馈电阻： 隔直电容： 选用低噪声电阻 阻值一般不小于109Ω 为减小输入端的分布电容，反馈电阻的体积要小
漏电流要小

32 脉冲光反馈电荷灵敏放大器 反馈电阻Rf起到电荷泄放作用，但它的引入同时增大了噪声，为了防止并联电阻引起的噪声，可以采用脉冲光反馈电路来实现泄放功能

33 脉冲光反馈电荷灵敏放大器 脉冲光反馈电荷灵敏放大器的工作原理： 该方法中没有反馈电阻的存在，因此其噪声性能要比阻容式的好几倍
当Vo超过阈值，会触发施密特电路，从而使 LED发光 光强变换会使栅流电流Ig增加从而引起放电 当Vo回到下阈值后，施密特电路再次翻转，停止放电 该方法中没有反馈电阻的存在，因此其噪声性能要比阻容式的好几倍

34 电流灵敏前置放大器 目的： 要求： 输出信号在形状上与探测器电流脉冲相接近 前置放大器输入回路的时间常数非常小，一般要求远小于电流脉冲的宽度
放大器频带很宽，一般要求在几百MHz以上

35 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50Ω
适合于信号幅度较大的情况，对电压-电压放大器要求其上升时间很小，一般在ns量级

36 电流灵敏前置放大器 实现方法：并联负反馈放大器 采用并联负反馈以减小输入电阻 得到很小的时间常数，电流直接注入到反馈电路中
放大器本身的频带要求很宽

37 电流灵敏前置放大器 实现方法：电荷灵敏放大后微分输出
电荷灵敏放大器起到对电流脉冲的积分作用，若再采用微分电路将其恢复，则既可以获得与电荷量正比的电压信号，同时也可获得宽度与输入电流相近的窄脉冲，从而提高计数率

38 电流灵敏放大器的特点 响应快，可以获得精确的时间信息 可以由波形分辨粒子 上升时间和脉冲宽度都较窄，有利于高计数率测量
可用于能谱测量系统，特别是在需要选通测量的情况

39 集成电荷灵敏放大器 CR-Z-110 型电荷灵敏放大器：

40 集成电荷灵敏放大器 CR-Z-110 型电荷灵敏放大器：

41 大型物理实验中的探测器系统 ATLAS sTGC探测器结构：

42 大型物理实验中的探测器系统 ATLAS sTGC探测器结构：

43 大型物理实验中的前放系统 ATLAS sTGC前端电子学系统结构：

44 大型物理实验中的前放系统 ATLAS sTGC前端电子学系统结构：

45 大型物理实验中的前放系统 ATLAS sTGC前端电子学系统结构：

46 大型物理实验中的前放系统 ATLAS sTGC前端电子学系统结构：

47 习题一： 1、简述核电子学的主要特点。 2、简述电荷灵敏、电压灵敏、电流灵敏三种前 置放大器各自特点及主要应用场合。 3、电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点，为什么加入反馈电容可以提高放大器的性能。 4、对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流Qδ(t)时，求vo(t)的一般表达式。（假设A为理想运算放大器）