前置放大器原理及应用.doc

前置放大器原理及应用 1.1 概述 1.1.1 前置放大器的作用 前置放大器的主要作用如下： 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。 图1-l-l 核辐射测量中探测器一放大器系统的连接方式 （a）前置放大器与主放大器之间用一般电缆连接（b）前置放大器与主放大器之间用双芯电缆连接。 图中Z0为电缆的特性阻抗，R=Z0 1.1.2 前置放大器的分类 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，它的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器输出电流信号的波形保持一致； 电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器，如图1-1-2所示。图中为探测器输出的电流信号，为信号持续时间，为每个电流信号携带的总电荷量，、 图1-1-2 电压灵敏前置放大器 、分别为探测器的极间电容、放大器的输入电容和输入端的分布电容，输入端总电容。假设放大器是输入电阻极大的电压放大器，则输入电流信号在输入端总电容上积分为电压信号，其幅度等于与Q成正比。输入电压信号，由电压放大器进行放大，因此；输出电压信号的幅度也与Q成正比。 图1-1-2电路中，输入端总电容决定于、和它们不是稳定不变的。例如，放大器输入电容可能由于输入级增益不稳定而变化，使用P-N结半导体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容将发生变化等等，这时也就随之变化。当不稳定时，输出电压幅度也不稳定。所以图1-1-2这种电压灵敏前置放大器一般只适于稳定性要求不高的低能量分辨率系统。 图1-1-3是利用密勒积分器构成的前置放大器。其输出电压幅度有很好的稳定性，同时有较高的信噪比。图中为反馈积分电容，是不考虑时输入端总电容。当输入电流信号时，输出电压上升。设电压放大器的低频增益足够大，使得对输入电容的贡献远大于，则输入电荷主要累积在上。注意时输出信号电压幅度近似等于上的电压，则 图1-1-3 电荷灵敏前置放大器 实际上反馈电容可以足够稳定，所以输出幅度反映了输入电荷的大小且与无关。鉴于这一特点，我们将这种前置放大器称为电荷灵敏前置放大器。 图1-1-4 电流灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器通常是一个并联反馈电流放大器，如图1-1-4所示，其输出电流（或电压）与输入电流成正比。 1.2 电荷灵敏前置放大器 1.2.1 电荷灵敏前置放大器的工作原理 对于图1-1-3所示电荷灵敏前置放大器，不难看出，输出信号电压稳定值 （1.2.1） 式中为输入信号电压稳定值。输入电荷 （1.2.2） 考虑到 将（1.2.1）式代入上式，可得输出信号电压稳定值，亦即输出信号电压幅度 （1.3.2） 其中 （1.2.4） 是电荷灵敏前置放大器低频等效输入电容。如果满足 （1.2.5） 则 （1.2.6） 上式表明，当时，只要保持恒定不变，不论、是否稳定，输出电压幅度对输入电荷的“放大倍数”都是稳定的。 图1-2-1 电荷灵敏前置电放大器 （a）交流耦合电路 （b）直流耦合电路 图1-2-1（a）是电荷灵敏前置放大器的一种典型电路。半导体探测器经过负载电阻由高压电源H.V.供电。为隔直流电容。用来释放上积累的信号电荷，并提供直流负反馈以稳定电路的直流工作点。表示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管集电极输出电阻）。 这种电路的特点是： （1）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（1.2.6）式所要求的条件：。 （2）上升时间小，反馈深度大，稳定性好。 1.2.3 电荷灵敏前置放大器的电路 一、阻容反馈电荷灵敏前置放大器 图1-2-1中构成反馈网络，这种型式的前置放大器称为阻容反馈或反馈电荷灵敏前置放大器。 图1-2-5是上述前置放大器构一种实际电路。第一级采用三个并联的场效应管，可降低噪声斜率，按大电容探测器时总噪声小。接小电容探测器则用单个场效应管为宜。是共基极放大管，及有关电路为恒流负载。末级至组成两级互补射极输出器，用它来驱动后接负载时可改善输出正负信号（或正负沿）的过渡特性，并且减小负载对前置放大器开环放大倍数的影响。电路对正负信号均有较大的动态范围，可工作于较高的计数率。四个串联二设管和330Ω电阻设置末级静态工作点，并对至的基极一发射极电压进行温变补偿。、两管发射设通过电容交流耦合。但是，当电路通过脉冲序列时，耦合电容上会累积电荷而产生压降。若的电压方向与图示的正