《电荷灵敏前置放大器》在核物理和粒子物理实验中,我们必须用电子学方法收集核辐射粒子通过探测器产生的电信号,然后对其进行处理和分析。
由于探测器输出信号一般都比较小,通常在探测器与放大器之间加一预放大器,也就是前置放大器。由于输出的幅度反映了输入电荷的大小,且与输入电容无关,故称之为电荷灵敏前置放大器。
电荷灵敏前置放大器工作原理
基本的电荷灵敏前置放大器原理图如下图所示。其中,A是放大器的开环增益,C为耦合电容,R
d是探测器偏置电阻,C
f是反馈电容,与之并联的R
f是反馈电阻。为了保证C
f上电荷的积累,一般情况下,R
f为MΩ到GΩ量级。R
f主要有两个作用,一是用于泄放C
f上的电荷,二是产生直流负反馈以稳定放大器直流工作点。探测器与放大器之间的C起到隔直作用,取值为几千个pF量级。当探测器输出正比于入射线能量E的电荷量到电荷灵敏前置放大器时,电荷前放输出电压幅度V
om=Q/C
f。式中Q为探测器产生的电荷量,Q=Ee/W。E为入射能量,e为电子电荷,为1.6e库仑,W为平均电离能,对于硅半导体探测器,W=3.62*10MeV,而对于锗半导体探测器,W=2.96* 10MeV。不难推出,V
om∝Q∝E。对于电荷前放来说,其总的输入电容C
if=C
i+(1+A
0)C
f。其中C
i=C
D+C
S+C
A,C
D为探测器体电容,C
S为引线分布电容,C
A是放大器输入电容,由于有(1+A
0)C
f远远大于C
i,从而使得电荷前放的增益仅与反馈电容C
f有关,得出前放的电荷灵敏度为:A
Q=1/C
f。