最新核电子学第3章放大器2
《核电子学》课件——前置放大器
R
iD(t)
C
ViM
+ A
-
RL
R1
Z0
VoM
ViM
R1 R2 R1
RL R RL R
Ci
前放的上升时间与电荷收集时间和放大器的上升时间等有关， 一般在几百ns左右。
脉冲尾部指数下降，放电时间由CiR//RL决定，约为10-100微秒。
电荷灵敏前置放大器
tW iD(t)
Cf
-
vo(t)
A
+
Ci
散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f 噪声）。
在电子器件中，载流子产生和消失的随机性， 使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些， 有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。
热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。
低频噪声即1/f 噪声，又名闪变噪声或过量噪声， 其噪声电压随频率的降低而增大。
散粒噪声和热噪声的比较
探测器中的漏电流噪声
半导体探测器的漏电流主要由三部分组成：
•结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成
的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。
但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。
•P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流 •结区内因热激发产生的电子—空穴对所造成的反向电流
Vn 2
lim
T
1 T
T
Vn2 (t)dt
0
信噪比
能量E 辐射源
探测器
输入信号电压Vi
放大器
等效噪声电压 （放大倍数A）
Vo
(ENV)
Vno
信噪比—噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪
声均方根值的相对值来表示：
脉冲放大器
2
R1R2C R1 R2
VO
(s)
VI
(s)H
(s)
Q Cf
1
s
1
f
s s
1
1
1
2
Q Cf
1
s
1
2
vo (t)
Q Cf
e
t
2 u(t)
1= f
输出依然为单极性脉冲，且衰减时间常数2< f。
极零相消的调节范围为0R1C。
vi(t)
f=RfCf
t
vo(t)
H (s)
K
0 (s a)2 02
K
(s a
0 j0 )(s a
j0 )
其中
a
2
42
0
2
则通过拉氏变换得到时域中的冲击响应为
K 2(R3 R4 ) R4 4 2
h(t) Keat sin 0t u(t)
两个相等的负实数极 点的时域波形
2=R1 R2/( R1+ R2)C< f
t
极零相消电路(二)
Rf Cf
A
R1 vo(t)
+
iD(t)
vi(t)
R2
C
(b)
VI
(s)
Q Cf
1
s
1
f
H (s)
R2
1 sC
R2
R1
1 sC
R2 R1 R2
s s
1
2
1
1
1 (R1 R2 )C
2 R2C
实验三 线性脉冲放大器 核电子学实验讲义
实验三 线性脉冲放大器一、实验目的1、掌握线性脉冲放大器的工作原理；2、通过实验掌握线性脉冲放大器的主要指标的测量方法。
二、实验内容1、放大器第三放大单元的测试；2、BH1218线性脉冲放大器主要指标的测量。
三、实验原理图3-1 BH1218型线性放大器结构框图电路原理：本实验采用BH1218型线性脉冲放大器，整个放大器是由输入极性转换，一次极-零相消的微分电路，四级放大电路，三级积分电路和基线恢复器等组成，结构框图如图3-1所示。
BH1218型线性脉冲放大器的电路原理图如图3-2所示。
输入信号首先经过极-零相消的微分电路，微分时间常数分0、s μ5.0、s μ1、s μ2、s μ3、s μ4、s μ5、s μ6八档由开关2K 进行选择，极-零补偿可由调节1RV 的值实现，从而可消除具有指数衰减后沿信号经微分后所产生的信号的下冲部分，使后接的放大单元能正常工作。
微分后的信号经极性转换开关1K 加到由运算放大器1A （LF357）构成的第一放大级，输入为负信号时从1A 的反相输入端输入，放大单元反向输入时的放大倍数取决于9R 、11R 的值；输入为正信号时从1A 的同相输入端输入，放大单元同向输入时的放大倍数取决于12R 、13R 、9R 、11R 的值。
不论输入的信号极性是正还是负，本级均输出正极性信号。
第二放大级由运算放大器2A （LF357）构成同相放大级，由整机的放大倍数粗调开关的位置决定本级是否接入电路，在整机放大倍数较小时，第一级放大的信号直接进入第三放大级，本放大级不起作用；在整机的放大倍数较大时，第一级放大的信号经本放大级放大后进入第三放大级，使整机的放大倍数提高。
第三放大级由运算放大器3A （LM318）构成反相放大级，本放大级的原理如图3-3，前级的信号经增益粗调开关3K 进入该放大单元，由原理图可看出，将27R 和2RV 接入反馈回路的电阻之和看做2F R ，反相输入端的电阻23R 、24R 、25R 之和看做1F R ，则本级的闭环放大倍数为 123F F R R A -= 增益粗调开关3K 的位置不同，1F R 的值不同，增益细调电位器的位置不同，2F R 的值不同，因此调节3K 和2RV 均可改变本级的放大倍数，整机的放大倍数是各放大级放大倍数之积，因此就改变了整机的放大倍数，也就是放大器增益粗调和细调的原理。
核辐射探测器与核电子学前置放大器
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第五章 前置放大器
第一节 概述
一、前置放大器的作用信号处理电路的基本任务 第一、提高系统的信噪比。 第二、减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。
d vT2C
8kT 3g m
df
场效应管闪烁噪声
d vT2F
Af f
df
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第二节 电荷灵敏前置放大器
二、电荷灵敏前置放大器的噪声 。
1.串联噪声和并联噪声——(3)等效关系
（图a）串联电压噪声
d
v
2 s
（图b）等效为并联电流噪声
d
i
2 p
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第二节 电荷灵敏前置放大器
max
100 %
a
xi yi
1 100 %
max
a 微 分 非 线 性 影响 输 出 信 息 (y) 密 度 分 布( △n/△y ， 即 单 位y 内的 信 号 数 ) 的 均匀 性 。
斜率小的地方密集更多的信息。
在能谱测量中，微分非线性将使谱形畸变，影响能量分辨率，但总计数不变。
7
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16
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第五章 前置放大器
第一节 概述
二、前置放大器的分类 第一、电压灵敏前置放大器
Q
tw 0
ii
dt
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第五章 前置放大器
第一节 概述
二、前置放大器的分类 第二、电荷灵敏前置放大器
实验二电荷灵敏放大器
实验⼆电荷灵敏放⼤器实验⼆电荷灵敏放⼤器⼀、实验⽬的1、进⼀步掌握电荷灵敏放⼤器的电路结构的特点和⼯作原理。
2、学习电荷灵敏放⼤器性能指标的测试⽅法。
3、掌握电荷灵敏放⼤器的特点和⽤途。
⼆、实验内容1、静态⼯作点测试；2、上升时间测量；3、电荷灵敏度测量；4、⾮线性测量；5、噪声特性测量。
三、实验原理当给半导体探测器加上反偏压后，如果有射线照射，则在探测器的灵敏区内产⽣电⼦-空⽳对，其数⽬与射线粒⼦在灵敏区内损失的能量E 成正⽐。
这些电⼦-空⽳对被探测器结电容d C 收集，形成电压脉冲，其幅度为：dC Q U =，这⾥Q是收集到的电荷量。
图2-1 电荷灵敏放⼤器原理图由于半导体探测器的结电容d C 随外界温度和外界偏压⽽改变，使得输出信号的幅度不稳定，给能谱测量带来很⼤困难。
为解决此问题，需要使⽤电荷灵敏放⼤器。
电荷灵敏放⼤器原理如图2-1所⽰。
其中d C 是半导体探测器的结电容，r C 是放⼤器的输⼊电容和分布电容之和。
f C 为反馈电容。
如将反馈回路的电容等效到输⼊端，则输⼊端的总电容为()fr d CA C C 01+++。
当半导体探测器输出电荷Q 时，在放⼤器输⼊端形成的信号电压为()fr d sr CA C C QU 01+++=如果满⾜条件10>>A ，()r d f C C C A +>>+01，则 fsr CA Q U 0≈放⼤器的输出信号幅度为 fsr sc CQ U A U -=?-=0由此可见，只要满⾜上述条件，电荷灵敏放⼤器的输出信号幅度就仅与探测器输出的电荷Q 成正⽐，⽽与探测器的结电容d C 和放⼤器的输⼊电容r C ⽆关。
输⼊单位电荷所产⽣的输出电压值为fsc CU 1-=fC1-称为电荷灵敏度。
由式可见，要提⾼电荷灵敏度，应选择较⼩的f C 值。
本实验所⽤FH1047A 电荷灵敏放⼤器，其电路原理如图2-2。
其中，1T 采⽤结型场效应管3DJ7G ，它具有极⼩的栅流，很⾼的输⼊电阻，很⼩的输⼊电容，这是获得低的噪声所必需的。
核电子学第10课放大器
五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器
5.1堆积拒绝方法
对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积， 通常是设法判别信号的时间间隔是否过小，堆积 是否发生，然后把发生峰堆积辨率高计数率谱仪放大器
5.1堆积拒绝方法
对信号的判别标准： T>tw-tM两个信号都无幅度畸变。 tM>T>0发生前沿堆积，两个信号都发生畸变。 tw-tM>T>tM 发生后沿堆积，前一个信号为畸变， 后一个信号发生畸变。 一旦信号发生堆积，根据堆积情况，在电路上可 以给出“堆积标志”信号作为禁止输入信号。这 个信号可以加到后面分析测量系统中去，以禁止 这个堆积信号进入分析测量系统。
七、弱电流放大器
7.1电阻式弱电流放大器
静 电 计 管 输 入 级 的 弱 电 流 放 大 器 电 路
七、弱电流放大器
7.2电流-频率转换的弱电流放大器
在弱电流的测量中常常需要数字化处理，当然可以直 接把电阻式弱电流放大器输出电压转换成频率 f ，然 后再把频率f的脉冲送入计数器加以记录。
I-f转换电路的框图
n2 n1t w e n1
五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器
5.2单元电路功能介绍
死时间校正和允许最高计数率
当输入脉冲的平均计数率为
1 n1 tw
输出无堆积的信号最大值为
( n2 )max
1 tw e
计数效率与输入计数率的关系
五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器
5.2单元电路功能介绍
五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器
5.2单元电路功能介绍
线性门
线性门是传输信号的一个门电路，其在控制信号作用 下，可以有两个状态。
核电子学-前置放大器2
2.2 Ro 2 Co 2 tro 1 Ao F
二、电荷灵敏前置放大器
定量估算
上升时间
当反馈深度AoF很大的时候，可得
tro
2.2Co 2 (Ci C f ) gm C f
当Ci和gm变化时，对能量分辨率是否有影响？
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
计数率效应
计数率效应包括信号堆积、输出动态范围和最高计数 率等问题。从探测器输出单个信号来看，前置放大器 输出信号的幅度较小，而且实际探测器输出是大量的 随机脉冲，它对前置放大器线性工作的动态范围提出 一定的要求。 在电荷灵敏前置放大器中，由于对反馈电容Cf的充电 作用，信号是一个一个的累加上去的，如果不给Cf上 的电荷以放电通路的话，那么不断充电的结果，将使 放大器无法工作。
ACE
e
Cf w
一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比 探测器直接输出的信号要大一个数量级，相对于毫伏 量级的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力 要强的多。
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出稳定性
电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：
VoM
A0Q Q Ci (1 A0 )C f C f
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
输出脉冲上升时间(tr)及其稳定性
上升时间tr，是指输入一个阶跃信号时输出信号脉冲前 沿由幅度 10%的变化到 90%的时间，通常希望前置放 大器在时间上能较快的响应，要求上升时间越小越好。 输出脉冲上升时间tr取决于前置放大器本身的上升时间、 探测器电流脉冲持续时间、以及探测器极间电容。通 常定义前置放大器本身上升时间 tro 是指前置放大器在 输入冲击电流Q·δ(t)时，输出电压的上升时间。
核电子学-前置放大器2.
ACQ
VOM Q
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
在电荷灵敏前置放大器中，反馈电容Cf跨接于放大器的 反相输入端和输出端之间，放大器采用高增益宽带运算 放大器，输出阻抗很小，开环增益Ao很大。
把反馈电容等效到输入端，由于密勒效应，总的输 入电容为：
Cif Ci (1 A0 )C f
一、概述
1.2前置放大器的分类
前置放大器按不同的特点有几种分类方法：
与不同的探测器相配，可有不同的前置放大器，如 电离室前置放大器电路，正比计数器前置放大器电 路，半导体探测器前置放大器电路和闪烁探测器输 出电路等。 根据探测器输出信号成形方式的特点分类，前置放 大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放 大器和电流灵敏前置放大器。
则
ViM
tw
0
iD dt
Cif
Q Ci (1 A0 )C f
二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
变换增益
由于运算放大器的增益一般很大，所以输入信号可简 化为： V Q iM A0C f 则输出信号为：
VoM
A0Q Q Ci (1 A0 )C f C f
1.1 前置放大器的作用 1.2 前置放大器的分类
二、电荷灵敏前置放大器
2.1 电荷灵敏前置放大器的主要特性 2.2 电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析
一、概述
1.1前置放大器的作用
采用电子学方法进行核辐射测量时，要对探测器输出信 号进行处理。由于探测器输出信号往往比较小，一般情 况下，都首先要通过放大器放大后再进行分析。
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1.两、三个晶体管组成的快电流放大节(图3.6.1/图3.6.2)
共基极输入电流并联负反馈
2.共射—共基极电路组成快电压放大器的放大节图3.6.3
3.电压串联负反馈的快电压放大节(图3.6.4) 、
§6.习题（P127—129): 3.13 3.14
§7.弱电流放大器 一、电阻式弱电流放大器 功能：测量慢的小的电流信号10-5—10-15A 磁电式电流计（< 10-9 ) 高阻输入器件组成的弱电流放大器
堆积拒绝电路的效果（图3.5.9）
P112_L5 ： “T<tW－tM ” 更正为: “ T>tW－tM ”
一. 堆积拒绝方法
T>tW－tM
堆积(时间间隔T ):前沿堆积_图3.5.1(a) tM >T>0
后沿堆积_图3.5.1(b) TM < T < tW－
tM
tM >T>0
TM < T < tW－tM
A5 —A3 直流负反馈：保证稳定的直线工作点及放大器线 形。
可输出单/双DL成形脉冲。 §4习题（P127—129): 3.10 (3.11)
§5. 高能量分辨高计数率谱仪放大器（反堆积放大器）
一. 堆积拒绝方法
堆积（时间间隔T）：前沿堆积（图3.5.1(a)）
后沿堆积（图3.5.1(b)）
（其中：T>tW－tM ； tM >T>0 ； tW－tM >T> tM ） 二. 单元电路功能介绍
二. 单元电路功能介绍
1. 线形门
（图3.5.2）
2. 模拟展宽电路 （图3.5.3） 3. 逻辑展宽电路 （图3.5.4）
Tip:监察周期
三. 堆积拒绝电路（判断堆积是否发生和含弃堆积信号） 方框原理图（图3.5.5）
工作原理图（图3.5.6）
四. 死时间校正和允许最高计数率 1.Tip内再有信号输入，扣去这些时间 2.得到最大输出计数率的允许最高计数率为1/tw 堆积拒绝电路的效果（图3.5.9）
Vo=ii·R (R<<Ri )
二、电流-频率转换的弱电流放大器
三、调制型弱电流放大器
§7.习题（P127—129): 3.15
1. 线形门
3）
3. 逻辑展宽电路 （图3.5.4） Tip:监察周期 三. 堆积拒绝电路（判断堆积是否发生和含弃堆积信号）
方框原理图（图3.5.5）
工作原理图（图3.5.6）
四. 死时间校正和允许最高计数率
1.Tip内再有信号输入，扣去这些时间 2. 得到最大输出计数率的允许最高计数率为1/ tw
§5习题（P127—129): 3.12
§6. 快放大器
一. 概述（前、后沿快，100ns） 电流放大器 减小输入阻抗的电压放大器（50欧姆电阻相匹配） 定时滤波放大器概念
二. 快放大器的放大节电路 晶体管高截止频率、反馈高频补偿。 1. 两、三个晶体管组成的快电流放大节 (图3.6.1、图3.6.2)共基极输入电流并联负反馈 2.共射—共基极电路组成快电压放大器的放大节 (图3.6.3) 3.电压串联负反馈的快电压放大节 (图3.6.4)
核电子学第3章放大器2
3. 开关型基线恢复器 4. 门控有源基线恢复器（略）
二. 通用谱仪放大器介绍(框图3.4.11)
(半导体探测器谱仪或 正比计数器谱仪的主放大器)
A1～A5五个负反馈放大节，成形滤波（一级极一零相消 CR微分、二级RC积分、二级有源RC积分），反馈。
A1 ：输入放大节：差分形式、极性选择，极—零相消 A2 ：放大倍数粗调节 A3 ：放大倍数细调节 A4、A5 :放大,二次积分(输入、反馈),输出准高斯型信号