核辐射探测器与核电子学6前置放大器.ppt

1,前置放大器赖万昌 教授,2006年 春,2,教材与参考书：1.核电子学（上、下册）王经瑾，原子能出版社，1983年 2.核电子技术原理 王芝英，原子能出版社，1989年 3.晶体管低噪声电路 方志豪，国防工业出版社，1984年4.低噪声电子设计 尤忠琪 译，国防工业出版社，1977年5.多道脉冲分析系统原理 屈建石，原子能版社，1987年,3,6 前置放大器 主要内容：(1)各种信号处理电路；(2)有关技术指标及其测量技术。要求掌握：(1)电荷灵敏前置放大器(2)电压灵敏前置放大器预备知识：场效应管及晶体管放大电路(共射极、共基极电路)、互补放大器、运算放大器。,4,第四章 核电子学信号处理概述第一节 信号处理的基本要求信号处理电路的基本任务,5,第一节 信号处理的基本要求信号处理电路的基本任务：收集探则器输出的电荷前置放大器(第五章)放大信号，便于测量主放大器(第六、七章)时间控制(第八章)信号判别甄别电路(第九、十章)幅度分析模数变换(第十一章),6,第二节 线性系统的一般特性一、定义：特性参数保持恒定、不随时间和信号幅度变化的系统，称为线性系统(狭义的)。输出与输入之间永远保持线性关系的系统(广义的)。,7,第二节 线性系统的一般特性二、指标积分非线性实际值与拟合值的最大偏差。微分非线性实际斜率与平均效率的最大偏差。稳定性增益稳定性、零点稳定性。时间特性响应速度(信号建立时间，10-910-7s)、处理速度(处理一个信号所需要的时间，10-610-5s),8,二、指标积分非线性(INL)Integral nonlinearity 用来描述实际传输特性(虚线)和理想直线的差别。是和最佳拟合直线比较，取垂直方向的最大相对偏差表示。一般要求INL0.1；高要求INL0.01。,9,二、指标微分非线性(DNL)Differential nonlinearity 用来描述传输曲线的增益(斜率)变化。定义为最大增益与平均增益的相对差。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。,10,二、指标微分非线性,11,增益稳定性 定义为：增益稳定性使能谱沿y轴(能量轴)作伸缩性变化。,二、指标稳定性在线性系统中指的是增益稳定性、零点稳定性。,12,零点稳定性零点的变化直接反应到输出量的变化。定义为：零点稳定性使能谱沿y轴(能量轴)左右平行移动。,二、指标稳定性,13,二、指标稳定性不稳定性产生的原因：温度变化在一定环境温度范围内，增益稳定性常表示为温度每变化1增益变化的百分数，零点稳定性常表示为温度每变化1零点的变化量(绝对值)。电源变化电网供电电压变化时(例如变化10)，以增益变化的百分数和零点的变化量来表示。长时间工作环境温度和电网电压不变时，信号处理设备连续工作24小时或持干天，增益变化的百分数和零点的变化量。信号计数率变化在信号计数率增高时，由于堆积效应，使信号的峰部互相重叠，或使基线偏移和涨落。,14,二、指标时间特性响应速度即设备能处理什么量级的时间信息。对于现代的核电子学来说，处现微秒级的是慢速的，处理毫微秒级的是快速的，通常为10-910-7s。处理速度每处理一个信号所需要的时间。不同的设备差异很大，通常为10-610-5s。,15,第三节 滑移信号发生器(Sliding pulse generator)一种用来产生白谱(White spectrum)脉冲信号的信号发生器。白谱脉冲信号脉冲幅度分布密度为常数的信号，即在各种幅度V处信号的分布密度dn/dV等于常数。用幅度分析系统测得的白谱幅度谱Nf(m)，其连线是一条水平线。但如果幅度分析系统幅度分类不均匀，会在道宽大的道上得到的计数偏多，道宽窄的道的计数就会偏少。,16,第三节 滑移信号发生器(Sliding pulser)工作原理与输出波形电压滑移速率幅度分布密度T：斜坡电压的周期；f：脉冲信号的频率；Vo：斜坡电压的幅度。,17,第四节 信号处理设备的插件化和标准化标准机架1950年，电子管NIM标准(国际核仪器标准)1964年，晶体管CAMAC标准(国际仪器标准)1969年 NIMNuclear Instrument Module CAMACComputer Aided Measurement and Control使用时注意电源及信号标准。,18,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。,19,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,20,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,21,第五章 前置放大器第一节 概述二、前置放大器的分类 第三、电流灵敏前置放大器,22,第五章 前置放大器第二节 电荷灵敏前置放大器 一、电荷灵敏前置放大器的工作原理。,23,第二节 电荷灵敏前置放大器 1.基本公式。,考虑到,式中 为输入信号电压稳定值。输入电荷,如果,则,24,第二节 电荷灵敏前置放大器 2.耦合方式与基本电路。,D经过负载电阻RD由H.V.供电；C为隔直流电容；Rf用来释放Cf上积累的信号电荷，并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。Ra表示T2管的等效动态负载电阻(主要决定于虚线框内恒流源的内阻的T2管集电极输出电阻)。,25,第二节 电荷灵敏前置放大器 2.耦合方式与基本电路。,特点：（1）T1管的等效负载小，所以第一级的电压放大倍数、输入电容小，开环输入端总电容也就较小。因此，电路容易满足条件。（2）上升时间小，反馈深度大，稳定性好。,26,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(1)并联噪声,电阻RD热噪声,场效应管栅极漏电流噪声,反馈电阻热噪声,探测器漏电流噪声,27,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(2)串联噪声,场效应管沟道噪声,场效应管闪烁噪声,28,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（图b）等效为并联电流噪声,29,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。,2.a噪声、b噪声和c噪声,a噪声与2成正比的输入并联电流噪声,b噪声与无关的输入并联电流噪声,c噪声与成正比的输入并联电流噪声,30,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。,a噪声、b噪声和c噪声的等效电路,输入端总的并联电流噪声,31,第二节 电荷灵敏前置放大器 三、电荷灵敏前置放大器的实例。,32,第二节 电荷灵敏前置放大器 三、电荷灵敏前置放大器的实例。,33,第二节 电荷灵敏前置放大器 四、电荷灵敏前置放大器的主要特性,噪声 变换增益(Conversion gain)稳定性上升时间 输入阻抗,34,第二节 电荷灵敏前置放大器 五、噪声的测量,用示波器测量用高频电压表测量,35,第三节 电压灵敏前置放大器怀特射极跟随器,36,第三节 电压灵敏前置放大器荧光仪用前置放大器,