实验三-电荷灵敏前置放大器
电荷灵敏前置放大器
【实验目的】1.研究电荷灵敏前置放大器的放大特性；2.学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法；3.了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性。
【实验仪器】我们以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象，现将其有关问题做一介绍：1．框图、线路图：（1）框图：（2）线路图（供参考）【实验内容】1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A 和衰减时间常数。
（1）测试原理：实验线路如下图所示：在前放的检验端输入幅度为V i （带负载情况下的幅度）的负阶跃脉冲，则输入电荷Q i＝i C V C 。
输入电流则近似为冲击电流Q i δ（t ）。
测出输出幅度V o ，则变换增益为：o o c i c iV VA Q C V == 测量输出信号下降时间常数即为前放输出脉冲衰减时间常数。
本前放pf 1C ,pf 1C ,10R c f 9f ==Ω=，最大输出幅度2V 。
将信号发生器输出幅度调为约为2V （2）理论思考：① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o V 受c C 的影响吗？将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的c A ，有影响 例如：若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？pf 5.0C c =，V i =4V ；2pf ，V i =1 V② V i 的极性、幅度、脉宽及周期的上、下限应如何考虑？ 极性：负极性a. 若V i 如下图，V o 该如何？b.若V i 如下图，V o 又该如何？答：这两个图的差别主要是输出信号是否能在一个水平端完成衰减，因为我们要测量时间常数，所以选择a ，让输出信号有足够的时间稳定下来。
为方便f f f C R =τ= 1ms 的测试，你选上述a 、b 中的哪种V i ？【a 】 （思考：对指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τtM o eV t V -=)(那么经过τ=t 时间，M MtM o V eV eV t V 37.0)(≈==-τ，可否利用此结果来测出τ？ 答：可以，用示波器的幅度和时间测量可以完成该测量。
电荷灵敏前置放大器A
探测器中的噪声
半导体探测器是反向偏置的PN结，其中存在着三种噪声源。 •并联电阻Rp的热噪声，Rp是耗尽层或补偿层的电阻 •串联电阻Rs的热噪声，Rs为探测器非灵敏区的材料体电阻 与引线电阻之和 •探测器漏电流ID的散粒噪声
iD CD Rp
Rs
vo(t)
对于面垒型探测器，Rp约为108-109Ω，在低温下工作的P-I-N 探测器， Rp可达1012Ω或更高。通常Rp比前置放大器或探测器 的偏置电阻大很多，因此， Rp及其热噪声可以忽略。 串联电阻Rs的影响虽然比Rp大，但是对性能良好的探测器来说 Rs也可忽略。
R1
iD(t) R C -高压
探测器和放大器 距离要足够短， 避免震荡
Z0 A
+
vo(t ) iD(t )R1
前置放大器的特点与选择（重点）
前放种类
电压灵敏 前放
特点
VoM=Q/Ci 电压幅度稳定 性较差 VoM=Q/Cf 电压幅度稳定 性较好 V(t)=Ri(t) 电压波形与探 测器电流相同
应用
慢计数系统、 能量分辨要求 较低的能谱测 量系统 能量分辨要求 较高的能谱测 量系统 快计数系统、 时间测量系统
注意事项
电荷灵敏 前放 电流灵敏 前放
系统的时间分辨本领除了与 所用探测器有关外，前放的 噪声也必须加以考虑。一般 情况下，前放上升时间选为 探测器上升时间的0.5-2倍之 间。
在实际应用中，选择前放要根据探测器的种类来 决定前放种类，同时注意前放上升时间应远小于 后面成形电路的成形时间。前放选定后，它和探 测器的连接要尽可能近，连接端要接触良好，电 缆要尽可能短。
输出电压的稳定性
当A0>>1时 则Ci 、A0分别变化时，有
电荷灵敏前置放大器用户手册
电荷灵敏前置放大器用户手册中国·四川·成都2012年12月第1版目录1.概述 (1)2.指标性能规格说明 (1)2.1 指标 (1)2.2 输入 (2)2.3 输出 (2)2.4 功耗和机械 (2)3.安装 (2)4.操作指南 (2)5.电路描述 (2)6.联系方式 ................................................................................. 错误！未定义书签。
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◆用普通的洗涤剂和无绒织物出去外壳上的污渍。
不要使用有腐蚀性的洗涤剂。
◆在仪器通电之前，请确保仪器干燥。
电荷灵敏前置放大器1.概述电荷灵敏前置放大器是用于金硅面垒探测器、3He正比计数器、BF3正比计数器的前置放大器。
可与探测器、线性放大器、多道分析器一起组成脉冲幅度分析测量系统，如图1所示。
图 1 电荷灵敏前置放大器的应用2.指标性能规格说明2.1 指标上升时间< 200ns输出噪声≤140eV积分非线性≤±0.02%温度系数±0.01%/℃输入电容可调100～1000pF增益1~5倍可调2.2 输入低压电源前面板3芯航空插座，下面写有“低压“，接放大器直流电压输出，向前置放大器提供±6V低压电源。
高压电源前面板3kV高压插座，下面写有“高压“，接高压电源输入。
接探测器后面板BNC插座，下面写有““接探测器”，接到探测器。
用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计
万方数据万方数据激光与红外Ｎｏ．１２０１１徐伟等用于ＡＰＤ激光探测的电荷灵敏前置放大器设计２９对转换后的电压信号进行放大。
与电流灵敏前置放大器不同的是，它无法保留输入电流信号的形状特征。
反馈电阻Ｒ，起释放电荷的作用，释放时间满足公式：ｆ＝Ｒ卢，。
尺，太小会增加噪声，太大无法按时释放电荷。
只要使得释放时间小于激光脉冲周期即可，一般取值几十到几百兆欧姆量级。
整个电荷前置放大器的增益可以表示为：Ａ＝ｇ。
尺ｄ・Ｇ（４）式中，ｇ。
是ＪＦＥＴ的跨导；Ｒｄ是漏极电阻；Ｇ是运放的开环增益。
图３电荷灵敏前置放大器放大器输出电压可以表示为：一¨ｉ。
＝罟（忐）（５）式中，ｃｉ包括ＡＰＤ结电容、放大器的输入电容和引线分布电容。
由于放大器的增益Ａ》１＋ｃ／ｃｓ，所以式（５）可以简化为：ｐ矽ｗｔ２玄（６）由式（６）可以看出，输出电压仅仅决定于ｃｚ与Ｑ的大小，只要ｃｆ值稳定，输出电压与输入的电荷信号成正比关系。
放大器输出电压不受ＡＰＤ结电容，运放输入电容、运放增益等参数的影响，稳定性更高。
激光脉冲持续时间极短，可以近似为冲激响应。
对于单个脉冲，ＡＰＤ在某一时间内产生的电荷量可以表示为：ｌＱ＝Ｉｉ，ｄ。
，０≤￡≤ｔ。
，０≤ｉ。
≤ｉｅ（７）ｂ式中，ｉ。
是激光脉冲在时刻ｔ时的电流值；ｔ。
是激光脉冲的持续时问；ｉ。
为激光脉冲的电流峰值。
由式（７）可以看出，电荷量的积累时间，即输出电压的上升时间与激光脉冲的持续时间相一致。
当ｔ＝ｔ。
时，Ｑ达到峰值，即输出电压ｐ。
达到峰值。
假设激光脉冲宽度ｔ。
为５０ｎｓ，反馈电容ｃｆ为１ｐＦ，对于大小为５ｎＡ的暗电流，被积分后对应的误差电压最大值仅为０．２５ｍＶ。
４实验测试实验中采用重复频率１０ｋＨｚ，脉宽３１．２５ｎｓ，波长９０５ｎｍ的激光束作为探测目标，硅传感器公司ＡＤ５００—９型号的ＡＰＤ作为探测元件。
整个实验在室温下进行，没有对ＡＰＤ进行低温处理。
图４是电荷前置放大器的输出脉冲波形。
输出信号电压峰值７０ｍＶ，衰减时间１４０Ｉｘｓ。
电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计_肖海军
第43卷第2期激光与红外Vol．43，No．2 2013年2月LASER＆INFRARED February，2013文章编号：1001-5078（2013）02-0190-05·电子电路·电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计肖海军，张流强，肖沙里，李先仓，黄振华（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030）摘要：在高灵敏度光电探测领域，常常采用雪崩二极管（APD）等高增益探测器，这些探测器通常需要上百伏的工作电压，因此电源噪声对探测器的性能影响很大。
针对单光子探测的需要，论文提出了一种电荷灵敏前置放大器消除电源噪声的设计，通过采用匹配的差分输入，可以有效抵消电源的共模噪声。
论文首先对APD探测器在不同偏压下的结电容进行测试，然后采用可调电容对APD电容进行匹配，用MultiSim对提出的电路进行了仿真分析，最后制作实验电路进行了测试和验证。
结果表明：差分输入电荷灵敏前置放大器能够有效消除电源噪声（包括低频噪声和高频噪声），实现高灵敏度的光探测。
关键词：电荷灵敏前置放大器；APD；差分放大；Multisim仿真；电源噪声中图分类号：TN29文献标识码：A DOI：10．3969/j．issn．1001-5078．2013．02．016Power supply denoising design for charge-sensitive preamplifierXIAO Hai-jun，ZHANG Liu-qiang，XIAO Sha-li，LI Xian-cang，HUANG Zhen-hua （Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems attached to Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400030，China）Abstract：High gain photon detectors such as avalanche photo diode（APD）are widely used for high-sensitivity photondetection．However，the high voltage applied to these detectors often makes serious noise．In order to perform high-sen-sitive photon detection，an innovative denoising design for charge-sensitive preamplifier is proposed，which can reducethe power-supply noise by differential amplification．Firstly，the junction capacitance of APD is tested under variousbias voltages．Then capacitance matching is made with an adjustable capacitor and circuit simulation is performed withMultisim software．Finally the fabricated circuit is tested．It is shown that the charge-sensitive pre-amplifier with differ-ential input can significantly reduce the power-supply noise（both low frequency and high frequency）and realize highsensitivity．Key words：sensitive charge preamplifier；APD；differential amplification；Multisim simulation；power-supply noise1引言高灵敏度光探测器在成像、光谱和光通讯领域有着广泛的应用，随着应用需求的发展，高速和高灵敏度光探测器越来也受到业界的重视，其最新发展就是以单光子探测为标志的新型光探测技术。
新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计
第40卷第2期 2020年3月核电子学与探测技术Nuclear Electronics Detection TechnologyVol. 40 No. 2Mar. 2020新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计熊思，高超嵩％黄光明，孙向明(华中师范大学物理科学与技术学院夸克与轻子物理教育部重点实验室，武汉430079)摘要：为满足T o p m etal-S芯片研制需求，设计了一种低噪声电荷灵敏前置放大器。
该电荷灵敏前置放大器在0. 35 p m商业标准工艺上完成设计,采用单端折叠共源共栅结构，其等效输人电荷噪声约为56.47 e_，电荷转换增益为223.40 m V/fC，上升时间为633.30 n s;开环增益为74.94 dB,线性度在3. 70%以内的输入电荷范围为0~6. 50 fC。
关键词：电荷灵敏前置放大器；低噪声；T opm etal-S;等效电荷噪声中图分类号：T L821 文献标志码：A文章编号：0258 — 0934(2020)2 — 0353 — 06寻找无中微子双卩衰变是近年来核物理与 粒子物理领域的研究热点之一，通过能谱测量 和径迹重建，能够提高对本底事件的抑制能力，进而提高对无中微子双P衰变确认的准确度。
以高压气体为媒介的时间投影室（TPC)配合低 噪声的电荷读出方法是最有潜力同时实现能谱 测量和径迹重建的探测器[1]。
传统的高压气体 T P C采用电致发光技术，能够获得优越的能量分辨率，但在电荷径迹和探测器规模扩展方面存在局限性，替代方案是微网格气体探测器，但 其涉及气体雪崩增益会严重降低探测器的能量 分辨率，因此，理想的方案是无气体雪崩放大的 像素电荷读出方法。
华中师范大学硅像素实验 *收稿日期：2019—12—17基金项目：国家自然科学基金青年项目（11805080)、国 家重点研发计划项目（2016Y FE0100900)资助。
作者简介：熊思（1996—），女，江西九江人，在读硕士生，攻读方向为模拟1C设计研究。
CR-110电荷灵敏前置放大器
CR-110电荷灵敏前置放大器Cremat公司的CR-110是一个单通道电荷灵敏前置放大器模块，它被广泛用于多种辐射探测器。
例如：半导体探测器，雪崩光电二极管和各种气体探测器。
在Cremat公司的众多前置放大器模块中，CR-110的体积是挺小巧的（模块面积小于一平方英寸），这样就允许用模块化的设计制作一个紧凑型多通道探测系统。
本课题是以CR-110电荷灵敏前置放大器模块为核心，制作一个能够正常使用的电荷灵敏前置大器。
制作过程包括电路板设计，铝盒加工，线路连接和波形调试。
此课题虽然没有很大的难度。
但是整个过程非常偏重于实践，比如铝盒加工打孔，线路焊接等操作都很考验实验者的动手能力。
制作过程中，也能自然而然了解到电路板的设计，测试板各个连线的作用。
非常有助于我们了解电荷灵敏前置放大器的工作原理。
再结合以前学的课本上的知识，更能温故知新。
我们作核辐射测量时，一般采用电子学方法，应该对探测器输出的信号进行处理，包括对获取的信号进行放大，成形，甄别，变换分析，记录等等。
因探测器输出信号小，一般都要先通过放大器放大才能测量。
所以信号放大是核电子学信号处理一个必要部分。
实际测量中，探测器附近必然有一定辐射剂量。
工作人员测量时必须远离辐射现场。
我们一般把放大器分成前置放大器和主放大器，这样做是为了减少放大器输入端和探测器输出端之间的分布电容的影响，也可以弱化外界干扰，有效的提高信噪比，使信号用的高频电缆的阻抗相应匹配，。
前置放大器也称作为预放大器，体积小，靠近探测器，其输入端与探测器输出配合，有些前放甚至和探测器组成一个模块，我们称之为“探头”，输出的信号再经高频电缆和主放大器连接。
前置放大器参数很少在测量过程中变动，一般由主放大器作放大倍数和成型时间常数的调节。
第二章前置放大器2.1前置放大器的作用和特点前置放大器的作用和特点可以从下面几个方面说明：（1）提高系统信噪比核辐射探测器一般贴近辐射源.所以探测器往往在强辐射场，狭小空间，恶劣环境或工作人员不宜在现场，也不适合用大体积的仪器。
基于orCAD的电荷灵敏前置放大器仿真设计
第27卷 第3期核电子学与探测技术Vol.27 No.3 2007年 5月Nuclear Elect ronics &Detection TechnologyMa y 2007 基于or CAD 的电荷灵敏前置放大器仿真设计刘良军(南华大学氡实验室,湖南衡阳421001) 摘要:叙述了使用orCAD 软件仿真电荷灵敏前置放大器的方法,半导体辐射探测器的电荷仿真信号源的设计,讲述了一个仿真设计实例。
结果说明软件仿真精度能够满足设计要求,可以代替大部分实验。
关键词:电荷灵敏前置放大器;仿真;半导体辐射探测器中图分类号: TL81 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2007)0320425203收稿日期:2006208202基金项目:湖南省科技厅重点资助项目(05FJ2003)资助。
作者简介刘良军(63—),男,湖南湘潭人,高级工程师,主要从事氡的测量和核电子学研究 电荷灵敏前置放大器是半导体辐射探测仪器的重要组成部分,电荷灵敏前置放大器的性能直接关系到整个仪器系统的性能。
不同用途的核仪器、不同的测量方法对电荷灵敏前置放大器的性能要求是不同的。
如:用于高精度γ能谱测量的高纯锗谱仪,要求前置放大器具有极低的噪声、快的响应速度和好的线性系数,由于器件因素,这种前放的造价很高。
一般的α总量测量的民用核仪器对前放的噪声和响应速度并没有特殊的要求,性能稳定、造价适中、器件容易购得才是最重要的,因而根据电子市场的实际情况以最短的时间设计性价比最佳的前置放大器模块是核仪器研发工作者的理想。
要达到这种境界,单靠传统的实验板开发模式是不现实的,而靠炒袭或照搬过去老的成熟电路更是行不通。
从开展核电子学虚拟仿真教学和核仪器模拟处理电路局部仿真角度看,电荷灵敏前置放大器的仿真电路能提供接近真实的核脉冲信息,因而是开展上述工作的基础。
随着电子工业的飞速发展,电路设计的软件仿真也在快速的发展和逐步走向成熟,并在现代电路设计和电类专业的教学中发挥了不可替代的作用。
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实验三电荷灵敏前置放大器
工物22 宁笑楠2012011709 同组：章艺林一．实验目的
1．研究电荷灵敏前置放大器的放大特性
2．学习测试变换增益、噪声和噪声斜率的方法
3．了解电荷灵敏前置放大器外壳屏蔽的重要性
二．实验仪器（线路图）
以FH1047型电荷灵敏前置放大器为实验对象。
图1-1 电荷灵敏前置放大器
图1-2 前放线路图（供参考）
三．实验内容
1．测电荷灵敏前置放大器变换增益A c 和衰减时间常数
1) 线路图
如图2-1所示：
图2-1 电荷灵敏前放变换增益A c 和衰减时间常数测试线路图
2) 理论思考
① 检验内容（测试电容）c C 的作用是什么？其值影响前放的c A 吗？对一定的i V 、o
V 受c C 的影响吗？若pf 5.0C c
=和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 各该选多大？
答：将输入的电压信号转变为电流冲击信号，不影响前放的 Ac ；
对一定的i V 、o V ，受c C 的影响；
若pf 5.0C c =和2pf 时，想V o 接近额定值2V ，V i 应该分别选4V 、1V 。
② a.若V i 如下图，V o 该如何？
图2-2
b.若V i 如下图，V o 又该如何？
图2-3
50Ω
TTL
答：a 、b 两图主要差别是输出信号是否能在一个水平端完成衰减。
所以，只要能让输出信号有足够的时间稳定下来就行 ③ 对
指数衰减信号)(t V o 可用公式表示为：τ
t
M o e
V t V -
=)(。
那么经过τ
=t 时间，M M
t
M o V e
V e
V t V 37.0)(≈=
=-τ
，可否利用此结果来测出τ？
答：可以，用示波器的幅度和时间测量即可。
④ 有的同学想用 2.2r t τ=，那么在我们实验中r t 应如何读取？此时对波形有什么要求？
答：tr 等于信号幅度从90%降到10%的一段，测量该段即可
3) 实验结果与分析
经过调节，选取V i =2.36V ，T =8.06ms ，t w =3.8ms ；测得前放输出V o =1.60V ，
利用M M
t
M o V e
V e
V t V 37.0)(≈=
=-
τ
测出衰减时间常数τ=1.04ms 。
若根据o o c i c i
V V A Q C V =
=，认为C C =1pF （理论值），则可计算得到增益系数A C =0.678，与理论值A C =1不符。
为了探究其中的原因，我们进一步进行实验。
首先检查各线路的连线、检查前放输入端的屏蔽（锡纸），发现没有问题；再检查信号发生器的输出信号参数设置，经检验已调节合理（信号幅值合适、完成比较完整的衰减过程等）；再检查示波器的参数设置，没有问题。
这些都没有问题的话，根据公式A =C f C c
，可能是前放的元件参数与；理论值
的差异导致增益系数实测值与理论值的差异。
所以我们把问题的原因锁定在实验所使用的电荷灵敏前置放大器上。
经过观察和比对，我们发现实验室里使用的电荷灵敏前置放大器虽然外形基本相同，但是并不是同一批次，应该有至少两个批次的产品（我们所检验的前放有03年产和07年产，外形相同但编码并不相同）。
我们找来四个前放，其中两个是和我们之前使用的前放同一批次的产品，记为A1、A2；另外两个是另外一个批次、且经别组同学测试增益系数为1，记为B1、B2。
我们首先把A1、A2分别代替现有前放接入我们的实验电路、其他实验条件不变，发现接入A1、A2时示波器的图像几乎没有任何可以观察出的变化，增益系数也没有变；而接入B1时，示波器图像发生明显变化，再次测量发现前放B1的增益系数约等于1，再换B2、接入结果相同。
至此，我们基本可以肯定，增益系数的不同，主要是由于前放的参数差异导致。
理论上来说A =
C f C c
，但可能实际等效的C f 与C c 值之比不为1，这就导致实际测量得到的增益系数不
为1。
2．用示波器或高频毫伏表测前放的噪声和噪声斜率
1) 线路图
图3-1
其中主放是带滤波成形的谱仪放大器，电容调整器小盒可用开关改变总电容C 的大小，由示波器测得的噪声的峰峰值pp V ，则2
2pp no V V ≈。
若用高频毫伏表测得噪声有效值为no V 。
但
由于缺少参数，无法进一步计算等效噪声电荷ENC 和等效噪声能量线宽FWHM 。
2) 理论思考
① 测试电容c C 的作用是什么？其值是否会影响前放c A 的大小？对c C 应有什么要求？
答：c C 的作用是将输入的电压信号转变为电流冲击信号，其值不影响前放的Ac ；如果取得太大，噪声会很大，如果取得比较小，信号的幅度就比较小、信噪比就不是很好，所以应根据这两点取一个合适的值
② 在原某一测量的前放等效噪声的基础上，改变其中的某一条件，请分别回答以下二个问
题：
第一个问题：在系统中测量出的输出端噪声no V 大小变否？ 第二个问题：等效到前放输入端的噪声大小ni V 变否？ 改变的条件：
★ 由4
RC CR -滤波形式变为RC CR -形式 答：1会2会
★ 时间常数由1d i s ττμ==变为4d i s ττμ==
答：1会2会
★改变主放大器的放大倍数由512变为256
答：1会2不会
★换前放输入端的探测器（可能会有C D变化，也可能有S i、G e材料的变化）
答：1会2会
3) 实验结果与分析
实验中，由于示波器直接测量“峰峰值”的功能是直接测量最大最小值之差，而噪声的随机性比较大，所以该功能不适于测量噪声的幅度，遂使用光标手动标定噪声幅度。
测量结果如下表。
图3-2 时间常数τ=1μs、放大倍数A0=750时的噪声-电容曲线
图3-3 时间常数τ=0.5μs、放大倍数A0=750时的噪声-电容曲线
图3-4 时间常数τ=1μs、放大倍数A0=300时的噪声-电容曲线
图3-5 时间常数τ=1μs、放大倍数A0=75时的噪声-电容曲线
从图中可以看出，等效输出噪声电压值随着在输入端外加电容的增大而增大，有较好的线性关系；此外还可以看出，放大器时间常数和放大倍数的改变也会对等效输入噪声产生影响本次实验中，当时间常数τ由1μs下降到0.5μs时，等效输出噪声电压值升高；当放大倍数降低（750倍-300倍-75倍）时，等效输出噪声电压值降低。
四．原始数据。