应用指南 AN250-2，修订版 3
测试
通过使用小型电容（通常为 1 到 2 pF）将测试电荷注入输入，可借助脉冲发生器对 A250 进行测试。（请参见下面的图 1）该装置将在测试脉冲的上升沿和下降沿作出响应，其过渡时间应小于 20 ns。可以使用方波或下降时间较长（> 100 µs）的拖尾脉冲。到 A250 输入的电荷仅在过渡时间内根据 Q = CtV 进行转移，其中 Q = 转移的总电荷，Ct = 测试电容器的值，V = 电压阶跃幅度。请勿直接或经由大于 100 pF 的测试电容将测试脉冲发生器连接到输入端，因为这样会在输入 FET 中产生大电流脉冲并导致不可逆的损坏。PC-250 测试板为测试 A250 提供了一种便捷的方法。它包含一个 2 pF（±5%）测试电容，并在一个 1.75 英寸 x 1.75 英寸 PC 板上以接地层配置的方式提供了输入、输出和电源引脚。
图 1.A250 测试电路
输入波形：方波或拖尾脉冲（Tr < 20 ns, Tf > 100 μs）
振幅：对于 Ct = 2 pF，V = Q/Ct = 500 mV/皮库仑
例如：模拟硅探测器中的 1 MeV：1 MeV (Si) = 0.044 pC，500 mV/pC x 0.044 pC = 22mV
因此，进入 2 pF 测试电容器的 22 mV 阶跃可模拟当粒子失去 1 MeV 能量时在硅探测器中产生的电荷。
A250 噪声测量
图 2.使用 RMS 测量仪和 MCA 进行噪声测量
电荷灵敏前置放大器的噪声必须在使用后置放大器/整形器的情况下进行测试。
规格中给出的 A250 噪声特性与后置放大器中的特定整形时间常数相关。后置放大器必须具有非常低的输入噪声，如 NIM 电子放大器或 Amptek A275，这样才不会影响测量。后置放大器的功能不仅是保存和放大电荷放大器接收到的线性信息，它还提供了一个带通滤波器用来消除导致噪声的频率。
通常使用两种方法测量前置放大器中的噪声：第一种是使用多通道分析仪（MCA），第二种是使用宽带 RMS 交流电压表。
使用 MCA 进行噪声测量（参见参考文献 1）
- 使用图 2 中所示的测试电路用已知振幅的脉冲激励 A250 的输入。
- 将 A250 输出连接到具有正确整形时间常数的后置放大器/整形器（固态探测器为 1-3 ̊µs）。
- 将后置放大器输出连接到 MCA 输入。
- 通过观察由两个不同的已知振幅测试脉冲形成的两个峰，校准 MCA（pC/通道或 keV/通道）。
- 现在可以直接从分析器读取特定能量峰值的半高宽（FWHM）。
使用 RMS 电压表进行噪声测量
- 使用图 2 中所示的电路。
- 使用 RMS 电压表时的 FWHM 噪声可通过下式计算：
FWHM (keV, Si) = 2.35 (Vrms) (Vin)/Vout
其中：
- Vrms 是来自电压表的噪声，单位为伏特。
- VIN 是以 keV 等效值表示的输入测试脉冲。
- VOUT 是来自后置放大器的输出脉冲，单位为伏特。
例如：如果使用 2 pF 测试电容器
- 设置 Vin = 22 mV（1 MeV，Si）
- 设置后置放大器的增益以获得 2.35 伏输出脉冲
RMS 电压表现已校准为：
- 1 mV RMS = 1 keV FWHM (Si)
- 拆下测试脉冲发生器并读取 RMS 电压表上的读数。
转换：1 keV FWHM (Si) = 113 个电子RMS= 1.81 x 10-17 库仑有效值
使用 MCA 或 RMS 电压表方法测量系统噪声时，探测器必须与测试电路同时连接到 A250 的输入端。在这种情况下，噪声测量将包括探测器由于其电容和泄漏电流而产生的噪声。
将 A250 连接到固态探测器
图 3.连接到固态探测器
- 通过将引脚 13 连接到引脚 14 并取消外部电阻 R，由于流经内部 1 千欧电阻最后到达引脚 10 的 2.75 mA 电流，FET 将被施加偏压。
- 通过将引脚 1 连接到 FET 的栅极并取消外部反馈组件 RfCf，300 兆欧电阻和 1 pF 电容器将进入回路并成为其中的一部分。
在大多数情况下，内部组件连接就足够了。但是，对于某些关键应用，必须通过外部电阻 R 调节流经 FET 的电流，并通过外部 RfCf 更改反馈组件。对于低噪声应用：
Cf < 1 pF typical and Rf > 1 Gohm 典型值
这些组件的值将影响输出脉冲的下降时间（T = RfCf）。输出脉冲的上升时间不会受到反馈组件的影响，因为它主要取决于探测器电容、所选择的 FET 和 A250 的内部特性。请参阅 A250 规格。
电荷灵敏前置放大器中对增益起着决定性作用的组件是反馈电容 Cf。
增益（灵敏度）：A = 1/Cf 伏特/皮库仑 (Cf pF) 对于硅探测器：A = 44/Cf mV/MeV (Cf pF)。
因此，对于 1 pF 反馈电容，当 1 MeV 粒子在探测器中失去全部能量时，A250 的输出将产生 44 mV 脉冲。
请务必注意，在电荷灵敏前置放大器操作模式中，反馈电阻 Rf 不会影响放大器的增益，它只是将积分回路的输出返回到基线。
电荷灵敏前置放大器操作模式将提供最佳的整体信噪比。它主要用于探测器信号较小的应用，例如固态探测器和比例计数器。
在输入脉冲的计数率接近 RfCf 时间常数的应用中，电荷灵敏前置放大器的输出如图 4 所示。
图 4.A250 在高计数率下的输出。
图 5.高计数率下的后置放大器输入波形。
注意不要超过 A250 的正负削波电平。应选择 RfCf 反馈组件，以满足特定应用的预期计数率要求。
由于电荷灵敏前置放大器与带零极点微分器的后置放大器/整形器进行交流耦合，因此产生的波形如图 5 所示。
用于电流（跨阻）前置放大器应用
在探测器产生的信号较大且需要保留上升时间信息的应用中，应首选电流前置放大器操作模式。这些应用包括光学和激光通信中电子倍增器或光电二极管的高计数率应用。参见图 3，反馈组件的大小通常为：
Cf = 2 pF 和 Rf = 50 千欧
如果（I）是输入电流，则：增益： Vo = (I)Rf
在这种情况下，对增益起着决定性作用的组件是 Rf。反馈电容 Cf 仅用于稳定回路。下降时间常数现在为 T = RfCf（约 100 ns）。
使用固态探测器时的低噪声注意事项
为了在使用带固态探测器的 A250 电荷灵敏前置放大器时实现低噪声性能，应考虑以下因素：
- 探测器 + 杂散电容和泄漏电流
- 使用的输入 FET 的类型
- 探测器 + FET 的工作温度
- 前置放大器反馈电阻
- 后置放大器及其整形时间常数
下面对每一个项目进行了简要讨论。
由于探测器 + 杂散电容和泄漏电流而产生的噪声
(Nt)2 = (Ni)2 + (Nc)2 其中：Nt 是探测器产生的总电噪声。Ni 是由于探测器泄漏电流引起的噪声。Nc 是由于探测器电容、电缆电容、杂散电容和探测器偏压电阻而产生的噪声。Ni 可以通过选择低泄漏电流的探测器并降低探测器的工作温度来降低。由于制造工艺不同，应谨慎挑选探测器（参见参考文献 2、3）。
下面讨论了探测器的制冷问题。Nc 可通过在探测器和前置放大器之间使用一截短电缆以及通过最大限度地减少由于 PC 板布局和同轴连接器而产生的任何杂散电容来最小化。RG58、50 Ω 同轴电缆的典型电容为 100 pF/m对于低泄漏电流的探测器，应选择大于 1 Gohm 的高电压偏压电阻，以获得低噪声，通常为最多比热噪声高出 0.5 db 的噪声。施加到探测器上的电压为：
Vd = Vb – (I)R
其中：Vd 是探测器上的实际电压。Vb 是电源电压。（I）是探测器的泄漏电流。R 是偏压电阻。
如果探测器中的泄漏电流很高，应计算偏压电阻的压降。通常，探测器中的泄漏电流会在温度每升高 8 oC 时加倍。电源电压减去偏压电阻的压降应等于制造商在给定温度下推荐的探测器工作电压。此外，偏压电阻的压降不应超过电源电压的 10%。
输入 FET 晶体管
输入 FET + A250 这个组合产生的几乎所有噪声都归因于 FET。A250 电路设计经过优化，与系统总噪声相比，它的噪声可忽略不计。
输入 FET 由用户自行选择，以便与探测器相匹配并最能满足特定应用要求。A250 可与多种 FET 一起使用，其噪声性能与探测器电容和后置放大器中整形时间常数的关系已在规格参数中给出。通常，选择具有大跨导（gm）的 FET，FET 的输入电容（Ciss）应与探测器电容（Cd）相匹配。
冷却探测器和 FET
冷却探测器时，建议同时冷却输入 FET。A250 无需冷却。但是，如果同时冷却探测器 + FET + A250 更为方便，则 A250 的最低工作温度是 -55 oC。在冷却探测器 + FET 时，前置放大器反馈电阻和电容器必须靠近 FET，并且屏蔽线必须连接到 A250。在这种配置下，请勿在 A250 中使用内部反馈组件。请使用外部电阻和电容。
随着温度的降低，探测器泄漏电流和噪声也会降低。此外，FET 的 gm 会增加。这会导致信噪比增加。在大多数 FET 中，由于半导体材料的掺杂物冻结，gm 在约 -140 oC（133 0K）时停止增加。因此，对于大多数 FET 而言，在大约 133 oK 时，跨导将达到最大值，然后随着温度达到 77 oK（液氮，LN2），跨导将下降约 10%。在许多需要冷却的实验中，探测器被置于 LN2 温度下，FET 被置于较远的位置或被加热，因此其温度接近 133 oK。需要冷却的实验中所使用的 FET 有：2N4416、2N6451、2SK152、2N6550 和 2N3823。
在探测器和 FET 必须处于液氦温度（4 oK）的低温实验中，必须使用不同的 FET。这些 FET 的制造工艺应允许它们被冷却到 4 oK。例如 Sony GaAs MESFET SGM2006M（以前为 3SK164）。但是，不建议在较高温度（近 133 oK）下使用这种 FET，因为其噪声性能将不如前面提到的 FET。
在室温下，大多数低噪声 FET 的噪声约为 100 – 120 个电子有效值。当温度达到 133 oK 时，此噪声将降低到大约 15 – 25 RMS。
远程连接的 FET
在需要冷却输入 FET 和探测器的应用中，A250 就在不远处（几厘米），反馈电阻和电容器也应位于 FET 端。在大多数应用中，由于 FET 与 A250 之间的距离较短，因此无需使用同轴电缆进行电气连接。为了消除噪声干扰，应屏蔽整个系统。
在探测器、输入 FET 和反馈组件位于较远位置的应用中，可使用未端接的同轴电缆进行电气连接。这些电缆的最大长度取决于 FET 特性、探测器、反馈和负载电容，但通常至少为 2 m。需要两根同轴电缆，一根用于将 A250 的输出连接到低温恒温器中的反馈网络，另一根用于将 A250 输入连接到 FET 漏极。由于增加电缆会降低前置放大器的闭环相位裕度，在配置 A250 时应注意这一点。反馈电容应尽可能小，符合增益、线性和上升时间要求。如有必要，可以在引脚 6 和接地之间添加一个补偿电容，以降低 A250 主导极点的频率。
远程 FET 最主要的考虑因素是正确接地和屏蔽。漏极（A250 输入）电缆的外部导线应在 A250 端接地，而另一端连接至 FET 源。
对于反馈电缆，外部导线应在 A250 端接地，而另一端不连接。
探测器的高压偏压应通过电容与低温恒温器中的 FET 源节点去耦。探测器和 FET 周围的任何其他屏蔽都应连接到此节点。建议从该节点到 A250 使用另一条低阻抗接地电缆。
前置放大器反馈电阻（Rf）
由于反馈电容器必须放电，因此通常将一个电阻与该电容器并联放置。此电阻是输入的噪声源，应尽可能大。对于低泄漏探测器，反馈电阻的值可以是几 Gohm。A250 在引脚 1 处有一个 300 兆欧的内部反馈电阻。这是最初设计时混合封装可容纳的最大电阻值。虽然此内部电阻足以满足许多应用，但不应在高分辨率实验中使用。取而代之，应使用外部反馈电阻，其电阻值应与探测器泄漏电流允许的值相同。对于配备交流耦合探测器的系统，最大反馈电阻由 FET 的栅漏电流决定。通常，栅极电压约为 -1 V。
A250 输出电压为：
DCVout = -1 V – Rf *（栅漏电流）
对于栅漏电流的 FET < 50 pA. DCVout must not be allowed to reach the clipping level. If DCVout is to be about -2 V, then Rf 必须 <20 Gohms.>
图 6.连接到 A250 的直流耦合 PIN 光电二极管
对于直流耦合探测器系统，必须将探测器泄漏电流添加到上述 DCVout 公式中的栅漏电流中。通常，探测器泄漏主要是 FET 泄漏。例如，如果探测器泄漏电流为 1 nA 且 DCVOut= -2 V，Rf 必须小于 1 Gohm。
在测量 X 射线或伽马射线的高分辨率系统中，使用了其他方法来使反馈电容放电。这些方法包括光脉冲反馈和晶体管复位电路。（参见参考文献 5、6）
后置放大器及其整形时间常数（参见参考文献 4）
后置放大器用来提供放大并滤除低频和高频噪声。此放大器的噪声要小，通常小于 4 nV/Hz。大多数运算放大器的噪声过大或增益带宽或转换速率不足，不适合整形放大器。
应该为每个应用选择后置放大器中的整形时间常数。对于室温实验，整形时间常数通常介于 0.5 µs 至 3 µs ̊之间。对于冷却实验，请使用大于 3 µs 的时间常数。
有多种整形方法可用于过滤低频和高频噪声（RC-RC、高斯、尖峰、三角形、梯形等）。最常用的是高斯整形器。应用下的“将 A250 连接到固态探测器”图中显示了一个 3 极高斯整形器的示例。 应用下 A275 规格中的“连接到具有 5 极整形和主动基线恢复功能的固态探测器”图中显示了一个 5 极高斯整形器的示例。 增加极数通常会改善输出脉冲的对称性，从而提高系统的噪声和计数率性能。
例如：为了使冷却系统达到约 20 个电子RMS（180 eV FWHM，Si）的总噪声：
- 探测器必须具有低电容。
- 探测器泄漏必须在低温下减少。
- FET 必须能够承受低温且 Ciss = Cd。
- 前置放大器必须包含光反馈或晶体管复位。
- 后置放大器必须具有低噪声（如 A275）和正确的整形时间常数（大于 3 µs）。
A250 无需考虑这些因素，因为与输入 FET 和探测器相比，其噪声可忽略不计。
参考文献
- ANSI/IEEE 标准 301-1988，用于与电离辐射探测器搭配使用的放大器和前置放大器的 IEEE 标准测试程序。
- ANSI/IEEE 标准 300-1988，用于半导体带电粒子探测器的 IEEE 标准测试程序。
- ANSI/IEEE 标准 325-1986，用于锗伽马射线探测器的 IEEE 标准测试程序。
- “半导体探测器的信号处理” F.S.Goulding 和 D.A.Landis，《IEEE 核科学期刊》，第 NS-29 卷第 3 期，1982 年 6 月。
- “用于高速高分辨率光谱分析的晶体管复位前置放大器” D.A. Landis, C.P. Cork, N.W. Madden 和 F.S.Goulding，《IEEE 核科学期刊》，第 NS-29 卷第 1 期，1982 年 2 月。
- “Si(Li) X 射线光谱探测器的改进工作模式” N.W. Madden, F.S. Goulding, J.M. Jaklevic, D.A. Landis 和 C.S.Rossington，《IEEE 核科学期刊》，第 37 卷第 2 期，1990 年 4 月。
- “核电子” P.W.Nicholson, UMI, Books on Demand, 300 North Zeeb Rd., Ann Arbor, MI 48106-1346。
FET 来源：InterFET Corporation
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