电荷灵敏前置放大器噪声系数测量实验报告

电荷灵敏前置放大器噪声系数测量实验报告

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一、实验目的

1、研究电荷灵敏前置放大器不同功率谱的噪声成分及其特性；

2、通过实验数据定量分析成形时间对等效噪声电荷（ENC）的影响，从而分离出各个

噪声成分；

3、加深对电荷灵敏前置放大器噪声ENC的理解，同时熟练掌握电荷灵敏前放的噪声

测试方法以及主放和多道分析仪等常用核仪器的使用。

二、实验原理

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。其中放大器又分为前置放大器与主放大器两部分。前置放大器的主要作用有两点：

1、提高系统性噪比；

2、减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。

探测器将粒子的信息转化成电流或电压信号后直接传入紧跟其后的前置放大器。经前置放大器放大、成型后传输到线性放大器，经后续的电路处理得到粒子的电荷、能量、速度、时间等信息。

前置放大器紧跟探测器，一般直与和探测器做成一体，这样有利于提高信噪比，信号经前放放大，抗干扰能力增强，以方便较远距离的传输。

在能谱和时间测量系统中，前置放大器按输出信号所保留的信息特点，大致可以分为两类。一类是积分型放大器，包括电压灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器，它有输出信号幅度正比于输入电流对时间的积分，即输出信号的幅度和探测器输出的总电荷量成正比。另一类是电流型放大器，亦即电流灵敏前置放大器，它的输出信号波形应与探测输出电流信号的波形保持一致。

前置放大器有多种，总的来说可以分为积分型放大器（包括电压灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器）和电流型放大器（主要是电流灵敏前置放大器）。

电荷灵敏前置放大器原理图如下：

图1 电荷灵敏前置放大器原理图

由于前置放大器的噪声将经过主放大器的放大输出，所以其对最后信号的信噪比影响很大，本实验就是要测定前置放大器的噪声系数。前置放大器的噪声主要包括沟道热噪声、输入端串联电阻噪声、晶体管沟道1/f噪声、探测器漏电流散粒噪声、反馈电阻噪声、前放输

入晶体管漏电流散粒噪声等。

为了计算前置放大器对信号的影响，一般地把噪声等效到输入端，计算等效噪声电荷ENC 。根据已有资料，我们知道ENC 的计算包括一下几个方面。

串联电压白噪声

22

2

()

nw

f in sw s e

v C C ENC F q

+=

2

02

()(())

peak s G s df

F V step

G +∞

=

?

串联电压1/f 噪声

22

2

()

nf

f in sf f e

v f C C ENC F q

+=

2

2

()

(())

peak f G s f df

F V step

G +∞

=

?

并联电流白噪声

22

2n p p e i ENC F q = 2

02()

(())

peak p G s df s F V step G +∞=?

22

2,,,,nw nf n in d p g e s f p v v i C q F F F －噪声功率谱密度

－C +C +C 输入端总电容－电子电量

－噪声系数，与成型电路的G(s)有关

前置放大器的噪声主要包括沟道热噪声、输入端串联电阻噪声、晶体管沟道1/f 噪声、探测器漏电流散粒噪声、反馈电阻噪声、前放输入晶体管漏电流散粒噪声等。将噪声等效到 输入端，根据等效噪声与频率的关系，可以将等效噪声分为a 噪声、b 噪声、c 噪声。如果折合为等效噪声电荷，则与成型电路时间常数满足关系

ENC 2

=a 2

τ

+b 2τ+c 2

实验的最终目的是通过测量得到a ，b ，c 系数。其中，等效噪声电荷与等效噪声电压的折算关系。

三、 实验思路

噪声对单一幅度信号的能谱具有展宽作用，输入信号幅度谱（多道中的显示）的半高宽FWHM 相当于噪声线宽。利用函数发生器产生方波，选择300Hz 左右的频率，可以认为在方波上升沿和下降沿时产生阶跃脉冲信号输入。电压脉冲从前置放大器检验端输入，在检验电容C c 上形成近似电流冲击。随后，分别在有前置放大器和没有前置放大器的时候，通过多道测定主放大器不同时间常数下的噪声信号大小。进行适当的数据处理，拟合可以求出前置放大器的噪声系数。

为了标定多道，输入两个不同幅度的电压信号，通过对比其在多道上中心道址的差可以定出多道每一道表示的电压大小，因而根据展宽的宽度可以求出等效噪声电压，与C c 相乘可以得到等效噪声电荷。

前置放大器一般是放在系统中同其它仪器配合使用，想要单独获得前置放大器的一种可行的方法就是分别测得系统总噪声和系统除前置放大器外其他仪器的噪声，以之为依据做差

获得前置放大器的噪声。

其中在本次实验中，系统的总噪声大概包括信号源、前置放大器和主放三个噪声，其他仪器的噪声包括信号源和主放的噪声。系统总噪声大概可以用下式表示：

2222____n tot n sig n pre n main V V V V =++ [4]

而前放的输入电阻也会对信号源分压等有所影响，本实验中假设主放噪声很小可以忽略，分别测出前放和信号源的电阻，将前放从系统中拿去，通过等效可以计算出没有前放的等效的系统中其余的噪声：

2

2

2__'pre n other n other sig

pre R V V R R ??= ? ?

+?? [5] 则前置放大器的噪声即可如下式获得：

222___n pre n tot n other V V V =- [6]

详细构思如下： ①_n tot V 和_n other V 的获取

_n tot V 和_n other V 的测量需要利用多道系统获得其对应的半高全宽值进行换算，具体计算公式

表达如下：

2.355

NV

no FWHM V =

[7]

②多道系统的标定

如上式[7]所描述，_n tot V 和_n other V 可以通过读取多道显示的半高全宽FWHM 获取，但值得注意的是本实验所要获取的是前置放大器的噪声，所以多道的标定方法是有一定的技巧的。可以利用示波器读出前置放大器信号的幅度，以之为基础，进行标定，则得出的半高全宽FWHM 对应的也是前置放大器的噪声，而不是经过主放放大后的噪声。具体实现可表达为下式：

1212

pre pre no h V V FWHM FWHM H H -=

- [8]

四、 实验仪器

五、实验步骤

图2 实验电路连接图

1、按上图连接好电路；

2、用万用表测量前放输入电阻、主放输入电阻、信号源输出电阻；

3、给定输入信号V1，将主放的时间常数分别置于0.5us,1us,2us,3us,6us,10us，用多道测量输出信号的道址，噪声线宽FWHM1，给定另外的一个输入信号，测量同样的信息；

4、去掉前放，经信号源直接接到主放，调节信号源的电压，重复步骤2。

六、数据分析

实验数据：主放：961 前放：75 信号源50，测量数据如下：

表一有前放时的输入电压以及输出信号数据

表二无前放时的输入电压以及输出信号数据

分析：

ENV=FWHM?H 2.355

接入前置放大器的时候，系统的噪声有三部分组成，发生器等效噪声电压V S1，前置放大器

等效噪声电压V F1 ,主放等效噪声电压V M1，所以系统总的噪声满足下面简单的平方关系：

V12= V S12+ V F12+ V M12

没有前放时，等效噪声电压可用以下公式来表示：

V22=V S22+V M22

实验中主放的噪声很小，可以忽略，同时信号发生器前后两次的等效电压：

V S1=

R F

R F+R S

V IN1

V S2=V IN2

V F12= V12-(R F

R F+R S

)2 V22

表三有前放与没有前放实验结果对比

通过已知条件，我们可以知道，(R F

R F+R S

)2=0.263

表四时间常数与前放噪声

又因为

EVC=ENV*C,其中C=1PF=1*10-12，

ENC2=a2

τ

+b2τ+c2

做ENV2*τ与τ做形如a2+b2τ2+c2τ的拟合曲线，然后拟合得到的系数在乘以C2就是相应的与ENC2*τ拟合得到的系数

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

图3 实验数据拟合 ENV 2τ与时间常数拟合

a 02=0.00636

b 02=0.0121

c 02=0.00285

考虑：ENC 2=

a 2τ

+b 2τ+c 2 所以实际的系数为：

a 2=0.00636×10?18

b 2=0.00285×10?18

c 2=0.0121×10?18

七、 实验总结

从这个实验中收获的东西比做几次已经安排的实验中收获的东西还要大，因为这是一个需要自己动手设计，不断尝试和改进的实验。期间，为了降低系统的其他部分的噪声，做了很多的尝试和改进，直到最后采用衰减电阻网络才得到比较合理的主放噪声。但是这个实验时设计性实验，反而让人更加有兴趣，通过实验以及之前的准备过程，清楚了信噪比的定义，以及与等效噪声电压的关系。实验中也感受到了核电子是一门非常有用的学科，希望自己以后能够静心学到一些核电子的知识。

八、 原始数据

E N V ^2*时间常数