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1、探测器分析测量设备高压前放主放辐射源主放大器又称脉冲放大器谱仪放大器（核辐射能量分析中的线性放大器）宽带放大器（核辐射时间分析中的快放大器）第1页/共66页堆积信号很难进行放大，因为信号很容易使放大器阻塞而失去放大功能，而且后面分析测量设备也无法进行正常的分析及处理vo(t)tvo(t)tC Rv(t)ttv(t)电荷灵敏前放的输出信号第2页/共66页放大器的输入信号（即前置放大器的输出信号）有一个缓慢衰减的后沿（一般为50s），微分后信号将具有一个与输入信号相同大时间常数的尾部。如果输入信号幅度超过正常范围上百倍、上千倍，过大的尾部使放大器长时间进入非线性区（幅度过载，放大器的阻塞）。从过载
2、输出信号产生时刻起到其基线恢复到零的时间称为过载信号基线恢复时间。放大器发生过载要经过相当长的时间才能恢复。去除下冲，极零相消极零相消第3页/共66页谱仪放大器的功能主要功能是放大和成形。放大：将前置放大器的输出信号进一步放大，以便于后面的电路对其进行处理和分析。成形：将前置放大器的输出信号成形为一定形状，既满足后续分析测量设备的要求，有利于高计数率下工作，并可以进一步提高信噪比。第4页/共66页定义：一个谱仪放大器一般由若干个负反馈放大单元串接组成，每个放大单元称为一个放大节。谱仪放大器的放大环节放大节通常由高增益的运算放大器和一个反馈网络组成，通常采用负反馈方法。不采用一个大的放大单元而采
3、用若干放大节串接的原因：谱仪放大器除了放大信号之外还要完成滤波成形的功能，需要若干级微分和积分电路，这些电路之间一般要求有隔离节；同时由于一个大的放大单元内，加以深度负反馈时很容易引起自激振荡。第5页/共66页运算放大器可以由分立元件分立元件组成，随着集成电路技术的发展，集成运算放大器集成运算放大器在带宽、转换速率、负载等方面的性能的提高，可以用来作为核电子学仪器中的放大节，使电路设计得到简化。第6页/共66页粗调细调第7页/共66页核电子学中对放大节电路的要求 一般的集成运放是无法满足核电子学的要求的，必须对集成运放提出一些要求：上升速率：谱仪放大器的放大节要有快的上升速率；相位补偿：负反馈
4、电路，在频率变化时会产生附加的相移，可能产生自激振荡。必须进行相位补偿。相位补偿电路第8页/共66页集成运放放大节举例（一）退耦电路退耦电路输出限幅第9页/共66页集成运放放大节举例（二）相位补偿相位补偿匹配电阻T1、T2为输出级为输出级提供正负电源提供正负电源第10页/共66页集成运放构成的放大节电路特点（重点）负反馈快的上升时间相位补偿第11页/共66页谱仪放大器的滤波成形滤波：为了提高信噪比，在频域中滤去不想要的某些频率。成形：在时域中将信号成形为某种形状。主要任务：使输出信号的形状满足后续分析测量设备的要求抑制系统的噪声，使系统信噪比最佳第12页/共66页 成形电路的要求 1)系统应是
5、线性的。2)成形电路宽度尽量窄，减小信号堆积。3)要求产生无下冲单极性信号，避免过大信号下冲使放大器进入非线性区。4)成形脉冲顶部比较平坦，以免探测器收集时间变化对能量分辨率产生影响。同时适合于接幅度分析器。5)成形电路尽可能简单，时间常数或脉冲宽度可以调节。6)时间测量中，要求信号成形电路能提供精确的时间信息，电路与能量谱仪中有所不同。第13页/共66页理论分析表明，当电荷灵敏前置放大器输出的阶跃脉冲信号被成形为无限宽尖顶脉冲时，可以达到最佳信噪比。-最佳滤波原理谱仪放大器中滤波成形电路的最终目的就是把电荷灵敏前置放大器输出的阶跃脉冲成形为准高斯型脉冲，即可得到较好的信噪比，顶部还保持一定的
6、宽度，能满足后续分析测量电路的要求。第14页/共66页脉冲成形电路简介 无源阻容滤波成形有源滤波成形第15页/共66页无源阻容滤波成形CR-(RC)m滤波成形电路 R1=R2=.=Rm+1=R，C1=C2=.=Cm+1=C起隔离作用，减小滤波成形电路之间的相互影响最佳滤波原理：RC时间常数相同时信噪比最佳。A=1A=1 C1 R2 R3 Rm+1 vo(t)Q vi(t)R1 C2 C3 Cm+1CfA=1第16页/共66页传递函数为那么CR-(RC)m滤波成形电路的输出信号为由拉氏变换第17页/共66页(1)输入为阶跃电压时，输出为单极性脉冲；(2)随着m的增加，脉冲幅度变小，峰位后移，脉冲
7、宽度增加，且峰两边趋于对称。(3)从信噪比和实际应用来考虑，m=4时所成的准高斯波形已可以满足实际的需要。第18页/共66页有源滤波成形 将滤波网络接在起隔离作用的放大器的反馈网络中，则构成有源滤波器。假设放大器具有理想的特性：输入阻抗无限大输出阻抗为0开环增益无穷大且与频率无关。第19页/共66页结论：将(a)与无源阻容滤波成形电路相比，一次无源积分和一次有源积分，相当于两次无源积分。这样可以将积分电路接到滤波器各级之间的隔离放大器的反馈回路中做成有源滤波器。有源滤波成形电路（一）第20页/共66页，H(s)有一对极点：有源滤波成形电路（二）当=2时，p1,2为两相等负实数极点；当2时，p1
8、,2为两不相等负实数极点；相当于两次无源积分相当于两次无源积分第21页/共66页当 2时，p1,2为一对共轭复数极点 p1,2=-a j 0，则其中则通过拉氏变换得到时域中的冲击响应为第22页/共66页结论：从图可以看出，h(t)的峰值两侧比较对称，后沿较快地恢复到基线。因此，在系统中设置复数极点比较容易获得前后较对称的准高斯波形。下面将指出，只要共轭复数极点和负实数极点配合得当，就可以获得无下冲的单极性波形。两个相等的负实数极点的时域波形调解元件参数，可获得下冲很小、接近于单极性的冲击响应。第23页/共66页脉冲成形电路-有源滤波成形（作业）求证上面两级有源滤波器对单位阶跃信号，输出波形为无
9、下冲的单极性脉冲。（与CR-(RC)4的输出波形相近，电路性能好于CR-(RC)3）结论：采用有共轭复数极点的有源滤波器同样可以获得准高斯波形且所用放大器数目较少。（CR-(RC)4有四个隔离放大器，而上图只用两个。）-A+R C R i2(t)C R vi(t)+A-C/2 C vo(t)R R i1(t)第24页/共66页有源滤波成形电路（三）当R1=R2=R时，H(s)有一零点Z，两个极点：结论：当C1C2时，p1,2为两个负实数极点。C1C2时，p1,2为一对共轭复数极点。存在Z零点，可用此零点去抵消前放的极点或系统内的另一个极点，以达到输出单极性脉冲的目的。第25页/共66页有源滤波
10、特点（重点）有源滤波与无源滤波相比，有下面两个优点：1.可将滤波成形与放大环节结合起来，通过设置电路参数获得共轭极点，用较少的放大器同样可得到准高斯型脉冲；2.可获得零点，与前级电路的极点相消，可得到无下冲的单极性输出脉冲。第26页/共66页小结（重点）谱仪放大器的主要作用放大、成形谱仪放大器中放大节的特点快的上升时间、负反馈、相位补偿谱仪放大器中成形电路的作用对前放输出信号进行成形，产生满足后续电路的脉冲形状（准高斯）提高信噪比，并符合后续分析设备对信号形状的要求。谱仪放大器中成形电路的典型电路要求会在复频域内对电路进行分析第27页/共66页A=1A=1 C1 R2 R3 Rm+1 vo(t
11、)Q vi(t)R1 C2 C3 Cm+1CfA=1第28页/共66页一个指数衰减脉冲经过微分电路后的波形变化情况。危害：可能引起放大器的阻塞。-A+Rf Cf C vo(t)R iD(t)vi(t)第29页/共66页极零相消技术常用的极零相消电路有下面几种：在几级串联系统中，常将前级传递函数的极（零）点与后级的零（极）点相消，这样可以达到改善输出波形，去除下冲的目的。-A+Rf Cf R1 vo(t)C R2 iD(t)vi(t)(a)-A+R1 vo(t)R2CiD(t)vi(t)(b)-A+Rf Cf iD(t)vi(t)(c)C vo(t)R3 R1 R2 Rf Cf 第30页/共66
12、页极零相消电路(一)输出依然为单极性脉冲，且衰减时间常数2f。极零相消的调节范围为0R1C。1=f-A+Rf Cf R1 vo(t)C R2 iD(t)vi(t)(a)第31页/共66页 vi(t)f=RfCf t vo(t)2=R1 R2/(R1+R2)Cf。极零相消的调节范围为0R2C。2=f-A+R1 vo(t)R2CiD(t)vi(t)(b)Rf Cf 第33页/共66页 vi(t)f=RfCf t vo(t)1=(R1+R2)Cf t 第34页/共66页-A+Rf Cf iD(t)vi(t)(c)C vo(t)R3 R1 R2 极零相消电路(三)-)-作业通常R1R3，可以近似认为B
13、点电位VB=kVi是电位器上kR3分压，其中k为R3电阻的下半部分阻值占总阻值的比例。如何实现极零相消？调节范围有多大？(R1C)B第35页/共66页极零相消电路总结 从信号成形方面来看，上面三种电路的输出均为单极性脉冲，输出指数衰减信号的时间常数不同，(a)(c)可使时间常数变小，(b)则使时间常数变大。(a)电路比较简单，极零相消的调节范围(0R1C)，没有(c)电路的宽(R1C)。第36页/共66页包含极零相消的无源滤波成形电路如果12，A=1A=11C12 R23m级R24 CiRiR1RC2C2iD(t)第37页/共66页放大节：前放输出的信号幅度得以放大，便于后续电路分析；滤波成形
14、：前放输出的信号被成形为宽度较窄的准高斯形状，有利于高计数率下测量，符合后续分析设备的要求，且信噪比最佳。是不是放大电路和成形电路就可以构成一个高性能的谱仪放大器了呢？第38页/共66页成形电路的信息畸变Q/CQ/CQ/C iD(t)1 2 3 4 t vc(t)1 2 3 4 tv(t)1 2 3 4 t iD(t)C vc(t)iD(t)C R v(t)第39页/共66页弹道亏损（Ballistic deficit）探测器输出电流脉冲总有一定的宽度，在积分型前放中，总有电阻R与C同时存在，那么在信号宽度内，电容C被信号充电的同时，又通过R放电，则充电能达到的幅度小于Q/C。这种幅度的亏损称
15、之为弹道亏损。iD(t)宽度不同（电荷收集时间涨落）幅度亏损不同相同的Q（E），由于电流持续时间不同，输出脉冲幅度不同，从而会使系统能量分辨率变坏。分析表明【核电子学（上）】，输入电流脉冲的宽度越大，包括前放和主放在内的成形电路的冲击响应的顶部越尖，弹道亏损越大。但通常情况下，弹道亏损引起的畸变与探测器固有的分辨率和噪声相比可忽略。只有在大体积探测器中电荷收集时间涨落很大时，才有影响。第40页/共66页堆积畸变峰堆积尾堆积 核电子学中一种重要的波形畸变，与输出脉冲波形（宽度）及计数率有关。iD 0vo tWvo tW t 第41页/共66页 设tW为电压脉冲的峰部持续时间，也就是在tW内是电压
16、脉冲的峰部。峰堆积：如果在测量时刻t，除了被测信号外，存在一个或一个以上的堆积信号的峰部。峰堆积会使波形有较大的畸变，在实际电路中采用堆积判弃电路舍弃堆积信号。尾堆积：如果在测量时刻t，除了被测信号外，出现了一个或一个以上堆积信号的尾部。尾堆积对波形的影响较小，但大量尾部堆积会使被测信号基线发生变化，那么在实际应用中采用基线恢复器使基线变化减小。第42页/共66页高性能的谱仪放大器除了包含放大和成形环节之外，为了减小高计数率条件下成形电路带来的信息畸变，还必须包含基线恢复器和堆积判弃电路。第43页/共66页谱仪放大器原理方框图极性转极性转换电路换电路极零相消极零相消微分电路微分电路积分滤波积分
17、滤波放大电路放大电路基线恢基线恢复电路复电路输出输出电路电路输出输出电路电路第二次微分第二次微分电路电路堆积判弃电路堆积判弃电路双极性输出双极性输出单极性输出单极性输出堆积占用堆积占用输入输入第44页/共66页谱仪放大器电路举例 IB1门门 CB IB2高中低速率高中低速率-+A5 -+A7 -+Co3 Co2 -+-+A1 -+A2 -+A3 -+A4 +-Co1 -+A6 R R1 11 1次微分次微分1 1次积分次积分R R3 3有源积分有源积分R R4 4 R R5 5单极性输出单极性输出Z0Z0双极性输出双极性输出比较器比较器直流反馈直流反馈延迟线延迟线Z Z GGG增益增益细调细调
18、0.51.5C1K R R2 2 C2 C5C4 2 2次微分次微分 10 比较器比较器 高高 +0.1V 中中 低低 直流调节直流调节 电平电平-0.1V （噪声）（噪声）基线恢复器（基线恢复器（BLR）基线甄别器基线甄别器 开关基线稳定器开关基线稳定器（BLS）-+第45页/共66页第46页/共66页谱仪放大器的主要技术指标增益及其稳定性线性噪声幅度过载特性计数率过载特性上升时间输入阻抗和输出阻抗第47页/共66页（1）增益及其稳定性前放输出脉冲幅度在mV-V量级，幅度分析器最大幅度为5-10V，则放大器的增益应当为几倍至几千倍，应为可调的。放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时间内
19、（如八小时）由于环境温度的变化、电源电压变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度。目前高分辨率谱仪中的放大倍数的温度系数A/A/C在0.01%左右，电源电压变化1%时，放大倍数变化小于0.05%。提高增益稳定性最有效的方法是深度负反馈，同时为提高增益的稳定性，需要保证电网电压不变（加稳压电源），注意动力电和仪器电的分离；保证温度变化小，使用中注意散热。第48页/共66页（2）线性谱仪放大器必须具有很好的线性，即要保证输出信号与输入信号幅度的线性良好，是谱仪放大器的一个重要指标。一般为万分之几千分之几合理选择工作点；采用负反馈。合理选择工作点；采用负反馈。积分非线性：voVomax vo2 vo
20、1 Vomax =vo2-vo1 vi第49页/共66页（3）噪声谱仪放大器是一种电压放大器，要求放大器输入端自身的噪声比前放输出端噪声小一个量级，则放大器噪声主要来源于前置放大器。成形电路限制频带，抑制噪声，最佳滤波原理给出最佳成形时间，与探测器种类有关，一般时间常数选择在不显著增加噪声的最窄处。第50页/共66页放大器发生过载要过相当长的时间才能恢复，所以极零相消一定要调整好，即不能过补偿，也不能欠补偿。同时，隔直流电路中的大时间常数也会使信号产生大时间常数的下冲。因此，谱仪放大器中用直流耦合及反馈。（4）幅度过载特性也称放大器的阻塞。第51页/共66页放大器中，由于计数率过高引起的脉冲幅
21、度分布的畸变，称为放大器的计数率过载。信号越宽，堆积可能性越大。堆积的结果：谱峰展宽，峰的位置偏移，甚至出现假峰。高计数率下，输出脉冲尽可能窄，极零相消调节好，并使用基线恢复电路和堆积判弃电路。（5）计数率过载特性第52页/共66页 放大器输出信号的形状取决于成形滤波电路，因此放大节上升时间必须比成形滤波电路上升时间（一般最小为几百ns）小得多。通常要求每个放大节的上升时间小于几十nsns.通常采用负反馈提高放大节上升时间。（6）上升时间第53页/共66页1.有利于信号的传输2.阻抗匹配（7）输入阻抗和输出阻抗第54页/共66页谱仪放大器重点脉冲放大器的主要作用；谱仪放大器的典型输入输出脉冲波
22、形；谱仪放大器放大节特点；成形电路的作用及典型电路；极零相消概念和实现方法；堆积概念和种类。第55页/共66页探测器分析测量设备高压前放主放辐射源主放大器又称脉冲放大器谱仪放大器（核辐射能量分析中的线性放大器）宽带放大器（核辐射时间分析中的快放大器）第56页/共66页快放大器是指上升时间很小或者说频带很宽的放大器上升时间一般在纳秒量级，相当于带宽在300MHZ以上，增益在几倍到几十倍。实现快放大器应该注意：放大元件（如三极管、运放）应该有很高的截止频率电路的时间常数小，包括负载RC和分布RC注意防止振荡（加高频补偿电路）和寄生反馈快放大器分为快电流放大和快电压放大。快放大器第57页/共66页电
23、流放大：由于探测器形成的电流时间远比电荷在输出回路积分电容上形成的电压时间要小得多，即形成的电流脉冲宽度很窄，因而可以克服高计数率而引起的信号堆积现象，所以电流放大器一定是快放大器。电压放大：如果输入阻抗Ri 很大，由于分布电容的影响，探测器输出的信号到达电压放大器输入端时，脉冲信号变得很慢，放大器响应速度再快也无现实意义了。可用50电阻并联电压串联负反馈放大器的输入端来实现与50电缆相匹配，从而提高电压放大器的速度，使之也能成为放大快信号的放大电路。可见采取一定的措施后的电压放大器也可以成为快放大器。第58页/共66页电流并联负反馈快电流放大器可调电容C2为一补偿电容，用来调节输出信号前沿特
24、性。用这种组态的放大节，上升时间可达到1ns左右。iDT1T2 +ER3 R4R2 330 i2 i i1C2 R1 Cs 91 -E第59页/共66页电压串联负反馈快电压放大器电压串联负反馈放大节这类快放大器多采用串联反馈模式，以提高输入阻抗，使输入阻抗仅决定于输入端的无源电阻。因为传输快放大器的信号多采用同轴电缆，输入端需接有与电缆特性阻抗相等的匹配电阻，以防反射引起信号前沿振荡（一般匹配电阻为50）。此放大节选择较高的截止频率的晶体管（1GHZ）可使增益为10倍时上升时间为1ns。viT1T2Re1 Re2Rc1 Rc2 Rf第60页/共66页快放大器总结输出脉冲上升时间在ns以下范围。
25、但线性、噪声、稳定性等性能较差。从原理上，分为快电流放大器和快电压放大器从使用上，分为宽带放大器和时间滤波放大器两种。宽带放大器的上升时间或延迟时间不可调，与光电倍增管或硅探测器配用，提供最高时间分辨测量。时间滤波放大器带有独立的微分器和积分器，对脉冲形状进行成形。常与锗探测器连用或其他需要对脉冲形状进行调节的场合。快放大器与谱仪放大器的主要区别在于：上升时间短，内部元件不同；输入或输出阻抗与50 电缆的匹配。第61页/共66页第62页/共66页第63页/共66页第64页/共66页脉冲放大器总结(重点)脉冲放大器的种类谱仪放大器快放大器谱仪放大器谱仪放大器的主要作用典型输入输出脉冲波形放大节特点；成形电路的作用及典型电路；极零相消概念和实现方法；堆积概念和种类；第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页