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1、核电子学与核仪器核电子学与核仪器覃国秀覃国秀Tel:2023/05/07上次课关键点上次课关键点n放大器在核测量系统中的作用及其结构放大器在核测量系统中的作用及其结构 作用：放大、成形作用：放大、成形 结结构构：极极性性转转换换电电路路、极极-零零相相消消电电路路、积积分分滤滤波波放大电路、基线恢复电路等放大电路、基线恢复电路等n放大器的基本参量放大器的基本参量 放放大大倍倍数数及及其其稳稳定定性性、线线性性(积积分分非非线线性性与与微微分分非非线线性性)、噪噪声声与与信信噪噪比比、过过载载特特性性(幅幅度度和和计计数数率率)、上升时间、输入输出阻抗上升时间、输入输出阻抗上次课关键点上次课关键
2、点n谱仪放大器的放大节谱仪放大器的放大节 并联负反响与串联负反响；同相输入与反相输入并联负反响与串联负反响；同相输入与反相输入信噪比的区别信噪比的区别n谱仪放大器中的滤波成形谱仪放大器中的滤波成形 滤滤波波成成形形的的作作用用(抑抑制制系系统统噪噪声声、使使信信号号形形状状满满足足后后续续分分析析设设备备的的要要求求)；白白化化滤滤波波器器与与匹匹配配滤滤波波器器；滤滤波波成成形形的的信信息息畸畸变变(弹弹道道亏亏损损、堆堆积积畸畸变变)；无无源源滤滤波波成成形形电电路路(极极-零零相相消消、积积分分滤滤波波成成形形、准准高高斯斯成成形形)；有有源源滤滤波波成成形形电电路路；基基线线恢恢复复器
3、器(CD恢恢复复电路、电路、CDD基线恢复电路基线恢复电路)；通用谱仪放大器；通用谱仪放大器本堂课主要内容：本堂课主要内容：n五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器 5.1堆积拒绝方法堆积拒绝方法 5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍 5.3堆积拒绝电路堆积拒绝电路 5.4死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率n六、快放大器六、快放大器n七、弱电流放大器七、弱电流放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器 随随着着高高分分辨辨半半导导体体探探测测器器的的出出现现和和使使用用，要要求求建建立立适适应应高高能能量量分分辨
4、辨率率高高计计数数率率测测量量用用的的谱谱仪仪放放大大器器，在在采采用用线线性性放放大大、滤滤波波成成形形、基基线线恢恢复复等等技技术术的的基基础础上上，又又开开展展了了堆堆积积拒拒绝绝技技术术。目目前前，比比较较完完善善的的放放大大器器除除了了基基本本放放大大节节和和滤滤波波成成形形电电路路外外，将将堆堆积积拒拒绝绝电电路路、基基线线恢恢复复电电路路都都组组合合在在一一起起，称称为为高高能能量量分分辨辨率率高高计计数数率率谱谱仪仪放放大大器器，也也称称为为反反堆堆积积放放大大器。器。在在高高分分辨辨率率能能谱谱仪仪中中，影影响响谱谱仪仪能能量量分分辨辨率率的的因因素素有有：射射线线及及电电荷
5、荷收收集集的的统统计计涨涨落落、探探测测器器及及放放大大器器的噪声、信号堆积引起的基线偏移。的噪声、信号堆积引起的基线偏移。五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器5.1堆积拒绝方法堆积拒绝方法 对对峰峰堆堆积积的的处处理理方方法法首首先先要要能能够够随随时时发发现现峰峰堆堆积积，通通常常是是设设法法判判别别信信号号的的时时间间间间隔隔是是否否过过小小，堆堆积积是是否发生，然后把发生峰堆积的信号剔除。否发生，然后把发生峰堆积的信号剔除。前沿堆积前沿堆积 后沿堆积后沿堆积 五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器5.1堆积拒绝方法堆积拒绝方
6、法 对信号的判别标准：对信号的判别标准：Ttw-tM两个信号都无幅度畸变。两个信号都无幅度畸变。tMT0发生前沿堆积，两个信号都发生畸变。发生前沿堆积，两个信号都发生畸变。tw-tMTtM发发生生后后沿沿堆堆积积，前前一一个个信信号号为为畸畸变变，后一个信号发生畸变。后一个信号发生畸变。一一旦旦信信号号发发生生堆堆积积，根根据据堆堆积积情情况况，在在电电路路上上可可以以给给出出“堆堆积积标标志志”信信号号作作为为禁禁止止输输入入信信号号。这这个个信信号号可可以以加加到到后后面面分分析析测测量量系系统统中中去去，以以禁禁止止这个堆积信号进入分析测量系统。这个堆积信号进入分析测量系统。五、高能量分
7、辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍线性门线性门 线线性性门门是是传传输输信信号号的的一一个个门门电电路路，其其在在操操作作信信号号作作用用下，可以有两个状态。下，可以有两个状态。线线性性门门电电路路示示意意图图五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍模拟展宽器模拟展宽器 在在处处理理核核信信号号过过程程中中，需需要要把把信信号号的的幅幅度度信信息息保保存存起起来来以以便便在在需需要要的的时时刻刻提提供供使使用用。能能把把信信号号的的峰峰顶顶展展宽宽的的电电路路通通称
8、称为为展展宽宽器器。用用于于把把模模拟拟信信号号峰峰顶顶展展宽宽的的称称为模拟展宽器，用它保持模拟信号的幅度信息。为模拟展宽器，用它保持模拟信号的幅度信息。五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍逻辑展宽器逻辑展宽器 逻逻辑辑展展宽宽器器能能够够展展宽宽逻逻辑辑脉脉冲冲信信号号，它它不不需需要要精精确确保保持输入信号的幅度信息。持输入信号的幅度信息。五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍堆积拒绝电路堆积拒绝电路 高高分分辨辨率率谱谱仪仪放放大大器器原原理理图
9、图五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍堆积拒绝电路堆积拒绝电路 高高分分辨辨率率谱谱仪仪放放大大器器中中的的各各点波形点波形五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率 从从堆堆积积拒拒绝绝电电路路分分析析中中可可知知，在在监监察察信信号号的的周周期期时时间间Tip内内，如如果果再再有有信信号号输输入入都都要要被被舍舍弃弃，因因此此监监察察时时间间就就是是堆堆积积拒拒绝绝电电路路所所产产生生的的死死时时间间，
10、在在这这个个死死时时间间内内不不能能记记录录输输入入信信号号。计计时时电电路路就就不不应应把把这这个个时时间间记记入入测测量量时时间间，而而应应从从总总的的测测量量时时间间里里扣扣除除这这个个死死时时间间得得到到活活时时间间。由由测测到到的的总总计计数数率率除除以以活活时时间间就就是是信信号号的的计数率。这种方法就是死时间校正。计数率。这种方法就是死时间校正。需需要要注注意意的的是是，逻逻辑辑展展宽宽电电路路对对每每一一个个信信号号都都要要给给出出持续时间为一个监察周期的信号输出。持续时间为一个监察周期的信号输出。五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元
11、电路功能介绍单元电路功能介绍死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率 谱谱仪仪放放大大器器输输出出脉脉冲冲的的峰峰部部展展宽宽为为tw时时，对对于于输输入入脉脉冲不受信号堆积影响的概率为：冲不受信号堆积影响的概率为：如果取监察周期如果取监察周期Tip的最小值，则对输出无堆积信的最小值，则对输出无堆积信号的计数率和计数效率为号的计数率和计数效率为 五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率 计数效率与输入计数率的关系计数效率与输入计数率的关系 当输入脉冲的平均计数率为
12、当输入脉冲的平均计数率为 输出无堆积的信号最大值为输出无堆积的信号最大值为 五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率 对对于于两两个个信信号号非非常常接接近近，以以至至于于当当快快成成形形电电路路、快快甄甄别别器器及及逻逻辑辑展展宽宽电电路路的的分分辨辨时时间间的的限限制制而而不不能能分分辨辨出出是是两两个个信信号号，那那么么堆堆积积拒拒绝绝电电路路就就无无法法给给出出堆堆积积标标志志信号，也无法判别这种堆积现象。信号，也无法判别这种堆积现象。幅度拒幅度拒绝原理绝原理及各点及
13、各点波形波形五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器n5.2单元电路功能介绍单元电路功能介绍死时间校正和允许最高计数率死时间校正和允许最高计数率 有无有无堆积堆积拒绝拒绝电路电路的能的能谱比谱比较较六、快放大器六、快放大器n6.1概述概述 在在小小分分辨辨时时间间，高高计计数数率率，快快定定时时及及时时间间甄甄别别等等系系统统中中，快快放放大大器器是是不不可可缺缺少少的的。由由于于探探测测器器形形成成的的电电流流脉脉冲冲宽宽度度比比输输出出回回路路积积分分电电容容上上形形成成的的电电压压脉脉冲冲的的宽宽度度窄窄，因因此此可可以以克克服服高高计计数数率率引引起起的的信
14、信号号堆堆积积，所所以以电流放大器一定是快放大器。电流放大器一定是快放大器。快快放放大大器器的的主主要要特特点点是是：前前沿沿和和后后沿沿要要比比谱谱仪仪放放大大器器快快得得多多，一一般般在在几几纳纳秒秒左左右右。它它的的主主要要指指标标包包括括：上上升升和和下下降降时时间间，放放大大倍倍数数及及其其稳稳定定性性，线线性性，过过载载特特性性，输输入入及及输输出出的的最最大大幅幅度度，噪噪声声。其其定定义义与与谱谱仪仪放放大器中的含义一样。大器中的含义一样。六、快放大器六、快放大器n6.2快放大器的放大节电路快放大器的放大节电路 快快放放大大器器通通常常由由几几级级放放大大节节组组成成，为为了了
15、获获得得很很宽宽的的频频带带，在在电电路路中中要要选选用用晶晶体体管管有有足足够够高高的的截截止止频频率率，采采用电压或电流反响，还需参加各种高频补偿。用电压或电流反响，还需参加各种高频补偿。两两个个晶晶体体管管组组成成的的快快放放大大节节三三个个晶晶体体管管组组成成的的快快放放大大节节六、快放大器六、快放大器n6.2快放大器的放大节电路快放大器的放大节电路快电压放大节快电压放大节共射共基极构成的放大节共射共基极构成的放大节快电压放大节快电压放大节六、快放大器六、快放大器n6.2快放大器的放大节电路快放大器的放大节电路快电压放大节快电压放大节有用快放大节电路原理框图有用快放大节电路原理框图 六
16、、快放大器六、快放大器n6.2快放大器的放大节电路快放大器的放大节电路 快放大节的特点小结：快放大节的特点小结：对对于于快快电电流流放放大大节节，由由于于是是电电流流放放大大，各各点点电电位位的的变变化化较较少少，故故分分布布电电容容影影响响较较小小，而而放放大大速速度度可可以以到到达达很快。很快。对对于于电电压压放放大大节节，放放大大速速度度快快慢慢与与分分布布电电容容有有很很大大关关系系，因因为为分分布布电电容容起起了了对对信信号号的的积积分分作作用用，减减少少快快电电压放大器的分布电容就变得非常重要。压放大器的分布电容就变得非常重要。总总的的来来讲讲，两两种种形形式式放放大大都都要要用用
17、很很深深的的负负反反响响以以取取得得很宽的频带，加上补偿网络可以防止震荡及扩展频宽。很宽的频带，加上补偿网络可以防止震荡及扩展频宽。七、弱电流放大器七、弱电流放大器n7.1电阻式弱电流放大器电阻式弱电流放大器弱电流测量原理图弱电流测量原理图 把把信信号号源源看看成成内内阻阻非非常常大大的的电电流流源源，其其输输出出电电流基本不受负载影响。流基本不受负载影响。实实际际上上电电阻阻R的的增增大大受受到到电电子子线线路路输输入入电电阻阻的的限限制制；一一般般，只只有有电电子子线线路路的的输输入入阻阻抗抗远远大大于于R的的条件下，增大条件下，增大R才有意义。才有意义。七、弱电流放大器七、弱电流放大器n
18、7.1电阻式弱电流放大器电阻式弱电流放大器静电计管静电计管静电计管静电计管 测量静电计管特性曲线电路图测量静电计管特性曲线电路图 七、弱电流放大器七、弱电流放大器n7.1电阻式弱电流放大器电阻式弱电流放大器静电计管静电计管输入特性曲线输入特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 七、弱电流放大器七、弱电流放大器n7.1电阻式弱电流放大器电阻式弱电流放大器 弱弱电电流流放放大大器器实实际际上上就就是是一一个个阻阻抗抗变变换换器器，输输出出信信号号等等于于输输入入信信号号，具具有有很很高高的的输输入入阻阻抗抗和和很很低低的输出阻抗。的输出阻抗。弱弱电电流流放放大大器器可可能能测测量量到到的的最最小小电电
19、流流，决决定定于于放放大大器器的的零零点点漂漂移移和和零零点点摆摆动动。由由于于噪噪声声使使输输入入端端R上上压压降降不不是是固固定定在在一一个个数数值值，而而在在一一个个平平均均值值附附近近涨涨落落。这这个个涨涨落落在在R两两端端产产生生压压降降，造造成成输输入入端端电电位位起起伏伏，这这个起伏引起零点摆动。个起伏引起零点摆动。应应用用负负反反响响的的方方法法，可可以以改改善善弱弱电电流流放放大大器器的的各各方方面面性能指标。性能指标。七、弱电流放大器七、弱电流放大器n7.1电阻式弱电流放大器电阻式弱电流放大器静静电电计计管管输输入入级级的的弱弱电电流流放放大大器器电电路路七、弱电流放大器七
20、、弱电流放大器n7.2电流电流-频率转换的弱电流放大器频率转换的弱电流放大器 在在弱弱电电流流的的测测量量中中常常常常需需要要数数字字化化处处理理，当当然然可可以以直直接接把把电电阻阻式式弱弱电电流流放放大大器器输输出出电电压压转转换换成成频频率率f，然然后后再把频率再把频率f的脉冲送入计数器加以记录。的脉冲送入计数器加以记录。I-f转换电路的框图转换电路的框图 七、弱电流放大器七、弱电流放大器n7.3调制型弱电流放大器调制型弱电流放大器调制型弱电流放大器示意图调制型弱电流放大器示意图 调调制制器器作作为为一一个个转转换换器器，可可以以把把直直流流信信号号转转换换成成交交流流信信号号。整整个个放放大大的的任任务务由由交交流流放放大大器器来来完完成成。这这就就从从根根本本上上防防止止了了直直流流放放大大器器引引起起的的漂漂移移问问题题。最最后后利利用用解解调调器器可可以以得得到到放大了的信号。放大了的信号。总结总结n五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器五、高能量分辨率高计数率谱仪放大器 堆积拒绝方法；线性门、模拟展宽器、逻辑堆积拒绝方法；线性门、模拟展宽器、逻辑展宽器；堆积拒绝电路；死时间校正和允许展宽器；堆积拒绝电路；死时间校正和允许最高计数率最高计数率n六、快放大器六、快放大器n七、弱电流放大器七、弱电流放大器演讲完毕，谢谢观看！