谱仪放大器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谱仪放大器的基本机构
侯克斌 核资源与核勘查 2007.11.2
目录
概述 谱仪放大器放大节 滤波成形网络 极零相消微分网络 堆积判弃电路
一 概述
测量核辐射用的脉冲放大器常分为前置放大器 和主放大器 谱仪大器：用来进行脉冲幅度分析，即射线能量分
析的主放大器称为谱仪放大器；因为输入信号与输出 信号呈线性关系又称线性脉冲放大器或线性放大器；
线性：放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和
输出信号幅度之间的线性程度。谱仪放大器在实际工 作所规定的信号幅度范围内还是随着输入信号或者输 出信号幅度变化而有一个微小的变化。当这个变化超 出所允许的数值时，就会给能谱测量带来了不允许的 畸变。“线性”在谱仪放大器中是个很重要的指标。
放大器基本参量
噪声及信号噪声比:放大器输出的信息中，总是
τ2 =
R1 R2 C R1 + R2
τ2
调节 R1 使 τ 1 = τ f，可以得到
V0 (t ) =
成为单极性信号， 单极性信号， 单极性信号
Q −t τ 2 e Cf
只要选择 R2 << R1 则可以使输出信号变窄 输出信号变窄
四 堆积判弃电路
堆积判弃原则
对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积，通常是设法判别信 号的时间间隔是否过小，堆积是否发生，然后发发生峰堆积的信号剔 除，不予放大和记录，这样虽然会损失一定的计数，但可以校正，这 种技术称为堆积拒绝（或称为堆积排除，堆积舍弃，反堆积）。 对一个信号是否发生堆积要有一个判别的标准。以一个信号脉冲为观 察脉冲，如果后一个脉冲峰部前沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的 峰堆积称为前堆积 前堆积，这时两个脉冲幅度都产生畸变，都应该舍去。 前堆积 如果前一个脉冲峰部后沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的峰堆 积称为后堆积 后堆积，这样前一个脉冲信号幅度没有畸变，而观察脉冲幅度 后堆积 畸变了，对前一个脉冲应该分析，而观察脉冲应该舍去。当然这时观 察脉冲峰部前沿在前一个脉冲达峰时间后面。
由信号、噪声和干扰组成。噪声是由于前置放大器输 出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定。通常考虑 放大器输入端的噪声比前置放大器输出端的噪声小一 个量级就能满足要求。
幅度过载特性：放大器工作有一个线性范围，当
超出线性范围很大时，放大器在一段时间内不能恢复 正常工作，在这段时间内低能的射线信号就不能被正 常放大，从而使测量差生误差，这种现象就称为放大 器的幅度过载也称为放大器的阻塞。
FH1002A谱仪放大器输入节 谱仪放大器输入节
二 滤波成形电路
谱仪放大器基本上由放大节和滤波成形电路。 滤波成形电路主要任务是：抑制系统的噪声，使系统信
噪比最佳；使信号的形状满足后续分析测量设备的要求。
对滤波成形电路的要求可以简单归结如下：
•通过滤波成形后要求输入和输出严格保持线性关系； •尽可能提高放大器的信噪比； •减小输入脉冲宽度，减小堆积和基线的变化，提高电路的计 数率响应； •成形后的最后输出波形应适合后续电路的要求； •滤波成形电路应该尽可能简单，参数可以调节，以达到最佳 效果；
放大器基本参量
计数率过载特性：当计数率比较高时所引起的脉
冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。谱仪放 大器的计数率特性主要取决于它的滤波器的响应时间， 由滤波器成形的信号越宽，堆积的可能性越大。
上升时间：探测器输出的信号通常有快的前沿和缓
慢的下降后沿，上升时间主要对信号的前沿而言。放 大器的上升时间过大会使信号产生畸变，结果使信号 幅度变小了。如果放大器上升的时间非常小也带来了 一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电 路本身的噪声，因此需要个合理的取舍。
作用：对前置放大器输出信号进行放大、滤波成形； 构成：通用谱仪放大器一般包括放大电路、滤波成形
电路、堆积判弃电路、定时信号输出电路、基线恢复 器等
放大器基本参量
增益（放大倍数）及稳定性:输入阶越电压或足
够宽的矩形脉冲电压时,输出脉冲幅度与输入脉冲幅 度之比；在能谱测量中，如果放大器的增益不稳定， 则输出的信号幅度随之变化，能量分辨率将变坏；
放大器基本参量
输入阻抗核输出阻抗：放大器的输入阻抗大小的要
求取决于信号源的内阻大小，而放大器的的输出阻抗 则取决于后续电路的要求。通常放大器的输出阻抗小 一些好，以便能适应在不同负载情况下工作。与输出 电缆匹配相使用，输出阻抗一般为50欧姆大小。
谱仪放大器的电路组成
组成 放大 放大器
放大电路 谱 仪 放 大 器 成 电路 电路
三 极零相消微分网络
极零相消原理：
电荷灵敏放大器由于反馈回路泄放电阻的存在，输出信号形状不是阶跃信号而是指数衰减形状， Q −t τ 即
V (t ) = Cf e
f
CR 其中 τ f = R f C f ，大约在毫秒量级，用CR高通电路进行微分
V0 (S ) = Q S Cf 1 1 S + S + τ τf
τ 1 1 tz = ln = τ ln 其中 λ = τ τ f << 1 ，此为双极性脉冲，可以求得过零时间为 1− λ λ λ
达到负峰值时间为 2τ 1 1 tm = ln = 2τ ln Vm − 负峰值与正峰值之比为 1− λ λ λ =λ Vm + 下冲的后沿部分可以用 V (t ) = − Q λe −t τ f 来表示，尽管其值很小，但是尾部拖得很长。会带来幅 幅 0 Cf 度过载问题。 度过载
放大节在频带上的要求：内部参数不会影响滤 波器的时间参数。
由于一个放大节内总是直流耦合，因而不会影响微 分和积分时间常数，但是如果高频特性较差，也就是 说上升时间较大时，相当于加一个RC积分电路，这就 使滤波器的时间参数受放大节内部性能的影响，这样 会难于调节时间常数，也易引起滤波性能不稳定。为 了避免这种情况发生，要求整体放大器总的上升时间 不大于0.1µs。如果谱仪放大器由几节组成，则每节上 0.1 升时间应小于 n us，相当于带宽为10MHZ。对每节开环 增益要求在100倍以上，闭环增益在5～10倍，稳定性 优于0.1%。
电路
电路
电路
谱仪放大器方框图
一 谱仪放大器放大节
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。
放大节组成： 通常是由一个高增益的运算放大器（由分
立元件或者集成电路组成）和一个反馈网络组成。实际上 放大器很多指标在很大程度上取决于单元放大节的指标的 优劣。
一 谱仪放大器放大节
三 极零相消微分网络
为了避免这种大幅度过载效应，需设法不产生长尾部的下 冲，这就不能用简单的高通电路来对电荷灵敏放大器输出 信号进行微分，需要选择一个电路，保证微分之后输出为 单极性信号。 单极性信号
三 极零相消微分网络
其中
极零相消具体实现方法
H (S ) =
S+ S+
1
τ1
1
τ 1 = CR1
四 堆积判弃电路原理图
Baidu Nhomakorabea 结束
谢
谢
！
参考文献： 《核电子学》 《核辐射探测器与核电子学》
侯克斌 核资源与核勘查 2007.11.2
目录
概述 谱仪放大器放大节 滤波成形网络 极零相消微分网络 堆积判弃电路
一 概述
测量核辐射用的脉冲放大器常分为前置放大器 和主放大器 谱仪大器：用来进行脉冲幅度分析，即射线能量分
析的主放大器称为谱仪放大器；因为输入信号与输出 信号呈线性关系又称线性脉冲放大器或线性放大器；
线性：放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和
输出信号幅度之间的线性程度。谱仪放大器在实际工 作所规定的信号幅度范围内还是随着输入信号或者输 出信号幅度变化而有一个微小的变化。当这个变化超 出所允许的数值时，就会给能谱测量带来了不允许的 畸变。“线性”在谱仪放大器中是个很重要的指标。
放大器基本参量
噪声及信号噪声比:放大器输出的信息中，总是
τ2 =
R1 R2 C R1 + R2
τ2
调节 R1 使 τ 1 = τ f，可以得到
V0 (t ) =
成为单极性信号， 单极性信号， 单极性信号
Q −t τ 2 e Cf
只要选择 R2 << R1 则可以使输出信号变窄 输出信号变窄
四 堆积判弃电路
堆积判弃原则
对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积，通常是设法判别信 号的时间间隔是否过小，堆积是否发生，然后发发生峰堆积的信号剔 除，不予放大和记录，这样虽然会损失一定的计数，但可以校正，这 种技术称为堆积拒绝（或称为堆积排除，堆积舍弃，反堆积）。 对一个信号是否发生堆积要有一个判别的标准。以一个信号脉冲为观 察脉冲，如果后一个脉冲峰部前沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的 峰堆积称为前堆积 前堆积，这时两个脉冲幅度都产生畸变，都应该舍去。 前堆积 如果前一个脉冲峰部后沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的峰堆 积称为后堆积 后堆积，这样前一个脉冲信号幅度没有畸变，而观察脉冲幅度 后堆积 畸变了，对前一个脉冲应该分析，而观察脉冲应该舍去。当然这时观 察脉冲峰部前沿在前一个脉冲达峰时间后面。
由信号、噪声和干扰组成。噪声是由于前置放大器输 出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定。通常考虑 放大器输入端的噪声比前置放大器输出端的噪声小一 个量级就能满足要求。
幅度过载特性：放大器工作有一个线性范围，当
超出线性范围很大时，放大器在一段时间内不能恢复 正常工作，在这段时间内低能的射线信号就不能被正 常放大，从而使测量差生误差，这种现象就称为放大 器的幅度过载也称为放大器的阻塞。
FH1002A谱仪放大器输入节 谱仪放大器输入节
二 滤波成形电路
谱仪放大器基本上由放大节和滤波成形电路。 滤波成形电路主要任务是：抑制系统的噪声，使系统信
噪比最佳；使信号的形状满足后续分析测量设备的要求。
对滤波成形电路的要求可以简单归结如下：
•通过滤波成形后要求输入和输出严格保持线性关系； •尽可能提高放大器的信噪比； •减小输入脉冲宽度，减小堆积和基线的变化，提高电路的计 数率响应； •成形后的最后输出波形应适合后续电路的要求； •滤波成形电路应该尽可能简单，参数可以调节，以达到最佳 效果；
放大器基本参量
计数率过载特性：当计数率比较高时所引起的脉
冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。谱仪放 大器的计数率特性主要取决于它的滤波器的响应时间， 由滤波器成形的信号越宽，堆积的可能性越大。
上升时间：探测器输出的信号通常有快的前沿和缓
慢的下降后沿，上升时间主要对信号的前沿而言。放 大器的上升时间过大会使信号产生畸变，结果使信号 幅度变小了。如果放大器上升的时间非常小也带来了 一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电 路本身的噪声，因此需要个合理的取舍。
作用：对前置放大器输出信号进行放大、滤波成形； 构成：通用谱仪放大器一般包括放大电路、滤波成形
电路、堆积判弃电路、定时信号输出电路、基线恢复 器等
放大器基本参量
增益（放大倍数）及稳定性:输入阶越电压或足
够宽的矩形脉冲电压时,输出脉冲幅度与输入脉冲幅 度之比；在能谱测量中，如果放大器的增益不稳定， 则输出的信号幅度随之变化，能量分辨率将变坏；
放大器基本参量
输入阻抗核输出阻抗：放大器的输入阻抗大小的要
求取决于信号源的内阻大小，而放大器的的输出阻抗 则取决于后续电路的要求。通常放大器的输出阻抗小 一些好，以便能适应在不同负载情况下工作。与输出 电缆匹配相使用，输出阻抗一般为50欧姆大小。
谱仪放大器的电路组成
组成 放大 放大器
放大电路 谱 仪 放 大 器 成 电路 电路
三 极零相消微分网络
极零相消原理：
电荷灵敏放大器由于反馈回路泄放电阻的存在，输出信号形状不是阶跃信号而是指数衰减形状， Q −t τ 即
V (t ) = Cf e
f
CR 其中 τ f = R f C f ，大约在毫秒量级，用CR高通电路进行微分
V0 (S ) = Q S Cf 1 1 S + S + τ τf
τ 1 1 tz = ln = τ ln 其中 λ = τ τ f << 1 ，此为双极性脉冲，可以求得过零时间为 1− λ λ λ
达到负峰值时间为 2τ 1 1 tm = ln = 2τ ln Vm − 负峰值与正峰值之比为 1− λ λ λ =λ Vm + 下冲的后沿部分可以用 V (t ) = − Q λe −t τ f 来表示，尽管其值很小，但是尾部拖得很长。会带来幅 幅 0 Cf 度过载问题。 度过载
放大节在频带上的要求：内部参数不会影响滤 波器的时间参数。
由于一个放大节内总是直流耦合，因而不会影响微 分和积分时间常数，但是如果高频特性较差，也就是 说上升时间较大时，相当于加一个RC积分电路，这就 使滤波器的时间参数受放大节内部性能的影响，这样 会难于调节时间常数，也易引起滤波性能不稳定。为 了避免这种情况发生，要求整体放大器总的上升时间 不大于0.1µs。如果谱仪放大器由几节组成，则每节上 0.1 升时间应小于 n us，相当于带宽为10MHZ。对每节开环 增益要求在100倍以上，闭环增益在5～10倍，稳定性 优于0.1%。
电路
电路
电路
谱仪放大器方框图
一 谱仪放大器放大节
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。
放大节组成： 通常是由一个高增益的运算放大器（由分
立元件或者集成电路组成）和一个反馈网络组成。实际上 放大器很多指标在很大程度上取决于单元放大节的指标的 优劣。
一 谱仪放大器放大节
三 极零相消微分网络
为了避免这种大幅度过载效应，需设法不产生长尾部的下 冲，这就不能用简单的高通电路来对电荷灵敏放大器输出 信号进行微分，需要选择一个电路，保证微分之后输出为 单极性信号。 单极性信号
三 极零相消微分网络
其中
极零相消具体实现方法
H (S ) =
S+ S+
1
τ1
1
τ 1 = CR1
四 堆积判弃电路原理图
Baidu Nhomakorabea 结束
谢
谢
！
参考文献： 《核电子学》 《核辐射探测器与核电子学》