《核电子学》课件——脉冲放大器

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。
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
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。
0
=6s =50s
i
20
40
60
80
100
t(s)
危害：可能引起放大器的阻塞。
极零相消技术
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。
常用的极零相消电路有下面几种：
Rf Cf
-
R1 vo(t)
iD(t)
A +
vi(t)
C
R2
Rf Cf
(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 )。
包含极零相消的无源滤波成形电路
如果1＝2＝，
vo
(t)
Q m!Ci
(t
)m
t
e
u(t)
iD(t)
1 A=1
C1 2
R2 3 m级 A=1
R2 4
Ci Ri
R1
Q1 Ci s 1
i
R
s 1
i
s 1
1
C2
C2
1
1 s 2
有源滤波成形电路（二）
H(s)
Vo(s) Vi(s)
R3 R4 R4
s2
2 s
2
，
R2C2 R1C1
R1C2 R3 R2C1 R4
R1C1
1
R2C2
R1R2C1C2
H(s)有一对极点：
p1,2
2
2
1 4
2
当当=>22时 时，，pp11,,22为为两两相不等相负等实负数实极数点极；点；相当于两次无源积分
极零相消电路(二)
Rf Cf
A
R1 vo(t)
+
iD(t)
vi(t)
R2
C
(b)
VI
(s)
Q Cf
1
s
1
f
H (s)
R2
1 sC
R2
s
1
2
R2
R1
1 sC
R1 R2
s
1
1
1 (R1 R2 )C
2 R2C
VO
(s)
VI
(s)H
(s)
Q Cf
1
s
1
f
R2 R1 R2
s s
1
2
1
1
Q Cf
( 1 )m
1 s 2
放大节：前放输出的信号幅度得以放大，便于 后续电路分析；
(s
s
1)m1
sC
sC
Vi(s)
Q Cf s
由拉氏变换
Vo(s) Vi(s)H(s)
Q •
Cfs (s
s 1)m1
Q
1
Cf m (s 1 )m1
L[t net u(t)] n!
(s )n1
那么CR-(RC)m滤波成形电路的输出信号为
Vo(t)
Q m! Cf
(t
)m
t
e
u(t)
(1) 输入为阶跃电压时，输出为单极性脉冲；
R2 R1 R2
1
s
1
1
vo
(t)
Q Cf
R1
e
t
1 u (t )
R1 R2
2= f
如果满足f= 2，输出依然为单极性脉冲，脉冲幅度比输入 脉冲幅度有所下降，衰减时间常数1> f。极零相消的调节
范围为0R2C。
vi(t) f=RfCf
t
vo(t) 1= ( R1+ R2)C>f
t
极零相消电路(三)-作业
Cm+1
一个指数衰减脉冲经过微分电路后的波形变化情况。
Rf Cf
-
C vo(t)
A
iD(t) + vi(t) R
reletive magnitude reletive magnitude
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
i=50s
20
40
60
80
100
t(s)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
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 宽度，能满足后续分析测量电路的要求。
脉冲成形电路简介
无源阻容滤波成形 有源滤波成形
无源阻容滤波成形
CR-(RC)m滤波成形电路
起隔离作用，减小滤波成形 电路之间的相互影响
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。
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。
C1
R2
A=1
Q vi(t) R1
C2
Cf
R3 A=1
C3
Rm+1 vo(t) A=1
Cm+1
R1=R2=….=Rm+1=R，C1=C2=….=Cm+1=C 最佳滤波原理：RC时间常数相同时信噪比最佳。
传递函数为
1
H(s)
R 1
R
•(
sC 1
R
)m
sRC sRC
1
•
(1 sRC
)m 1
sRC (sRC 1)m1
H (s)
sR 2C2 2R s 2 R2C1C2 2sRC1
1
R C1
(s
sZ p1)(s
p2 )
H(s)有一零点Z，两个极点：
11 p1,2 RC2 RC2
C1 C2 C1
结论：当C1C2时，p1,2为两个负实数极点。C1<C2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。
RC
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。）
有源滤波成形电路（三）
H(s)
Vo(s) I(s)
[sR1R2C2
(R1
R2
)]
1 sC1
sR1R2C2
(R1
R2 )
1 sC1
当R1=R2=R时，
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
成形电路的要求
1) 系统应是线性的。 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
Rf Cf
A
vi(t) C vo(t)
+
R3
iD(t)
R1 R2
(c) B
通常R1>>R3，可以近似认为B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 )
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。
相位补偿电路
集成运放放大节举例（一）
退耦电路
输出限幅
Af
3160 348 348
~ 10
集成运放放大节举例（二）
相位补偿
T1、T2为输出级 提供正负电源
匹配电阻
Af
6.81 ~ 5.6 1.21
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
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。
-
R1 vo(t)
A
iD(t) + vi(t)
R2
C
(a)
Rf
(b)
Cf
A
vi(t) C
vo(t)
+
R3
iD(t)
R1 R2
(c)
极零相消电路(一)
Rf Cf
-
R1 vo(t)
iD(t)
A +
vi(t)
C
R2
(a)
VI
(s)
Q Cf
1
s
1
f
H (s)
R2
s
1 1
R2
R1
//
1 sC
s
1 2
1 R1C
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。
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
C1
R2
A=1
Q vi(t) R1
C2
Cf
R3 A=1
C3
Rm+1 vo(t) A=1
有源滤波成形电路（一）
H(s)
Vo(s) Vi(s)
R3
C2 // R3 R2
•
R2 // C1 R1 R2 // C1
R1 R2 1 s1
1 1 s 2
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。
当<2时，p1,2为一对共轭复数极点 p1,2= - a j0，则
H (s)
K
0 (s a)2 02
K
(s a
0 j0 )(s a
j0 )
其中
a
2
42
0
2
则通过拉氏变换得到时域中的冲击响应为
K 2(R3 R4 ) R4 4 2
h(t) Keat sin 0t u(t)
C
t
R
t
t
1.0
reletive magnitude
0.8 0.6
=50s i
0.4
0.2
reletive magnitude
0.0 0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
0
20
40
60
80 100
t(s)
=6s
=50s i
20
40
60
t(s)
80
100
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
有源滤波特点（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。
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
2
R1R2C R1 R2
VO
(s)
VI
(s)H
(s)
Q Cf
1
s
1
f
s s
1
1
1
2
Q Cf
1
s
1
2
vo (t)
Q Cf
e
t
2 u(t)
1= f
输出依然为单极性脉冲，且衰减时间常数2< f。
极零相消的调节范围为0R1C。
vi(t)
f=RfCf
t
vo(t)
2=R1 R2/( R1+ R2)C< f
t
(2) 随着m的增加，脉冲幅度变小，峰位后移，脉冲宽度增 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。
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。
脉冲放大器 （主放大器）
探测器 辐射源
高压
前放
主放大器又称脉冲放大器
主放
分析测量 设备
• 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）
电荷灵敏前放的输出信号
v(t) v(t)
vo(t)
t
vo(t)
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
运算放大器可以由分立元件组成，随着集成电路技术的发展， 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。
Af
RfБайду номын сангаасR
Ri R
Ro 0
Af
1
Rf R
Ri
Ro 0
粗调
细调
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。
去除下冲，极零相消
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。
谱仪放大器的放大环节
• 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。
脉冲成形电路-有源滤波成形（作业）
CR vi(t)
R C
A +
C/2
R
R
+
i2(t)
i1(t)
A -
vo(t)
R
C
求证上面两级有源滤波器对单位阶跃信号，输出波形为无下冲 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 ）