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：d
C 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
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
()f r d C A 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
()f
r d sr C A C C Q
U 01+++=
如果满足条件10> A ，()r d f C C C A +> +01，则 f
sr C A Q
U 0
放大器的输出信号幅度为 f
sr sc C Q 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f
sc C U 1
= f
C 1
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。

1T 接成源极接地放大电路。

2T 构成共基极放大电路，以获得快的频率响应及实现同相放大。

电路采用自举的方法提高共基电路的集电极的动态负载，便于提高电路的开环增益。

3T 和4T 构成复合射极跟随器作为输出极，以提高电路的负载能力。

反馈电容f C 跨接在输出端与输入端之间，以形成电荷灵敏放大器。

由电路图可见，这种反馈是并联电压负反馈。

输入端的电阻
f R 接至输出端，从而取得直流负反馈，这样可以提高电路的稳定性。

图2-2 FH1047A 电荷灵敏放大器原理电路图
放大器输入端串联的小电容c C 是用来获得模拟电荷脉冲，以便对电荷灵敏放大器性能进行校验和测试。

当在测试输入端加入一电压阶跃脉冲sr U 时，只要满足条件
()c f r C C A C >++01，则前置放大器得到的电荷Q 为：sr c U C Q ×=
这里sr U 是电压阶跃的幅度。

电容c C 通常叫做测试电容。

电荷灵敏放大器的输出信号经电缆送至主放大器放大，主放大器的型号是BH1218。

放大倍数在有微积分时间常数时，增益粗调从5到750以连续可调，增益细调刻度盘为0时，增益为粗调值乘以系数0.5，细调每顺时针调节一圈，系数值增加0.1，当细调顺时针调十圈后，所乘系数值为1.5。

主放大器的微、积分时间常数分为0、s 5.0、s 0.1、s 0.2、s 0.3、s 0.4、s 0.5和s 0.6七档调节，微、积分时间常数调节一定是同步进行的。

四、实验装置
1、TDS1012示波器一台；
2、MFS-70A 型双脉冲发生器一台；
3、ESCORT179型数字万用表一只；
4、YB2174型超高频毫伏表一台；
5、FH1047A 型电荷灵敏放大器一台；
6、BH1218型谱仪放大器一台；
7、NIM 机箱电源一套。

五、实验步骤
1、静态工作点的测试
将电荷灵敏放大器和主放大器连接起来，接通主放大器电源，用数字万用表测量电荷灵敏放大器的1T -4T 各管的直流工作点，并进行记录。

测量时要注意数字万用表的测量位置和量程，由测量结果判断放大电路是否工作正常。

2、上升时间的测量
由双脉冲发生器输出KHz f 1=，宽度s t u 1=，幅度mV U m 500=的负脉冲，加至电荷灵敏放大器的测试信号输入端，用TDS1012示波器测出输入脉冲的上升时间1r t 和电荷灵敏放大器输出脉冲的上升时间2r t ，由2122r r r t t t = 算出电荷灵敏放大器的上升时间。

测量时，TDS1012示波器的扫描时间选取较小的值，使测量较准确。

3、电荷灵敏度的测量
从测试信号输入端输入幅度mV U m 500=的负脉冲，测出电荷灵敏放大器输出脉冲的幅度sc U ，按下式算出电荷灵敏度：
电荷灵敏度＝
sr
c sc
sr sc U C U Q U ×= 并与理论计算值f
C 1
比较。

4、非线性的测量
理想的电荷灵敏放大器，其电荷灵敏度在一定范围内是一个常数，即输出信号幅度与输入电荷的关系在直角坐标系中是一条通过原点的直线，但实际的电荷灵敏放大器总存在非线性。

当输入电荷量较小时，输出信号幅度与输入电荷成线性关系。

当输入电荷增加到某一数值max sr Q 后，输出幅度的增加明显减慢，与
max sr Q 对应的输出幅度即为max sc U (见图2-3)。

把实际输出幅度特性曲线上的M 点
(max sr Q 、max sc U )，与坐标原点相连的直线作为理想的输出幅度特性曲线，由此可以得到非线性系数。

max
sr sr
U U sc U sr
图2-3 电荷灵敏前放输入电荷与输出电压的关系
%100max
1
2 =
sc sc sc i U U U
式中2sc U 和1sc U 分别为输入电荷sr Q 时电荷灵敏放大器的实际输出幅度和理想的输出幅度。

对于不同的sr Q ，可得到相对应的非线性系数，为使实验数据准确可靠，应有足够多的实验数据，以便作出类似图2-3的图形。

测量时，从测试信号输入端输入KHz f 1=，宽度s t u 1=的负脉冲， sr U 的幅度由小逐渐增大，分别测出sr U 和与之对应的sc U ，直至sc U 基本不再增加为止，将所测数据填入下表：
（要求输入和输出幅度分别由示波器的两个通道进行测量）
在坐标纸上作出输出幅度sc U 与输入电荷sr Q 的关系曲线，再按上述方法求出电荷灵敏放大器的非线性系数。

注意上表中的列数可能不能满足实验中测非线性
的需要，应适当增加测量点，否则测量的误差较大。

5、噪声特性的测量
电荷灵敏前放的噪声表示为：零电容噪声(eV)+ 噪声斜率(eV/pf ) 所以需要测出零电容噪声和噪声斜率。

(1)零噪声的测量
将电荷灵敏放大器输出端与主放大器输入端连接。

从双脉冲发生器输出KHz f 1=，s t u 100~50=，mV U m 25=的负脉冲加至电荷灵敏放大器的测试信号输入端。

主放大器的微分积分时间常数选为s 0.3，放大倍数100=K ，测出主放大器输出信号幅度SC U ，然后，关掉脉冲发生器，用超高频毫伏表测出主放大器输出噪声的有效值，按下式计算电荷灵敏放大器在外接电容为零时的等效噪声能量（推导见核电子学教材） M
n
C P NE V V C V FWHM 060
= ()eV 式中，P V 为输入信号幅度，单位为mV ；M V 0为主放大器输出信号幅度，单位为
V ，n V 为无输入信号时主放输出的噪声电压的有效值，单位为mV ,C C 为测试电
容的容量，单位为pf 。

FH1047A 电荷灵敏放大器所接的测试电容为pf 1。

(2)噪声斜率的测量
测量条件与零噪声测量相同。

打开电荷灵敏放大器的屏蔽盖，在电荷灵敏放大器输入端分别接入容量为pf 10、pf 20，pf 30和pf 51的外接电容，盖好电荷灵敏放大器的屏蔽盖，重复零噪声的测量步骤，测出相应的外接电容下的等效噪声能量，在直角坐标纸上以电容C 为横坐标，等效噪声能量NE FWHM 为纵坐标，画出噪声与外接电容的关系直线，由直线计算出噪声斜率的平均值(pf eV )。

要注意图2-4中由实验点所作的直线与纵轴的交点应是所测量的零电容噪声的值。

图2-4 电荷灵敏前放噪声的图形表示
(3)噪声与主放大器成形时间常数的关系
电荷灵敏放大器的输入端不外接电容，将主放大器的微分积分时间常数改为
0.3和s
0.6，重复零噪声的测量步骤，测出与之相应的等效噪声能量5.0、s
s
FWHM。

NE
由测量结果分析当主放大器用不同的成形时间常数时，等效噪声能量的变化情况，从而出等效噪声能量与主放的成形时间常数的关系。

六、思考题
1、测静态工作点时，为什么不能用电压表直接测1T(3DJ7G)的栅极电压？其栅偏压应如何确定？
2、测电荷灵敏度时，为什么测量值与理论值有较大差异？提高电荷灵敏度主要受什么因素限制？
3、从噪声与主放成形时间常数关系的测量结果，分析为了提高信噪比，主放的成形时间常数应如何选择？。