新型高性能脉冲峰值保持电路

第17卷　第4期

核电子学与探测技术V o l.17N o.41997年7月N uclea r Elect ro nics &Detectio n T ech no lo gy July 1997

新型高性能脉冲峰值保持电路

陈勇　李延国　吴枚

(中国科学院高能物理研究所,北京,100039)本文介绍了两种新型跨导型脉冲峰值保持器,分别用于多丝正比室(M W PC )和复合晶体闪烁探测器(Phoswich)输出脉冲信号的形状和幅度分析。电路的跨导放大级采用跨导型集成运算放大器,使电路结构简单化,且性能优良可靠,能响应输入脉冲最小上升时间分别为50ns(Pho swich )和500ns(M W PC)的信号,在40dB 的动态范围内,两电路的积分非线性均好于0.1%,特别适用于空间γ射线观测。

关键词:脉冲峰值保持电路　跨导放大器

1　引言

峰值保持电路是核物理实验中的重要线路单元[1～6]。从60年代至今,峰值保持电路的前级(探测器及前置放大器)和后级(A /D 转换器等)发展极为迅速,而作为桥梁的峰值保持电路却发展得相对较慢,使其成为制约整个系统性能提高的瓶颈。传统的峰值保持电路是电压型的[3]

(如图1),电路的原理简单,但积分非线性大,动态范围小(小幅度响应差,一般大于200mV ),通频带也小,在处理快信号时性能不太令人满意。在80年代,出现了跨导型峰值保持器[1],其性能优于电压型的。并不断发展出适合于不同需要的跨导型峰值保持器[1,2,6]。

图1　电压型峰值保持电路图2　跨导型峰值保持电路

对于电压型峰值保持电路,从频域上说,由二极管D 和电容C 所组成的网络有一极点,并且由于二极管内阻不是常数,该极点位置并不固定。而运算放大器A 本身也有极点,为了电路能够稳定工作,只好降低整个电路的通频带,这样就不适用于处理快信号。另外,信号从输入到反馈回来需一定的时间,称回路时间t 1,所以在电容上电压V c 达到V i 的峰值时,要经过t 1时间才能反馈回来,使二极管D 截止,这样就会产生过冲,过冲V p 的大小为:

V p =∫t 0

+t 1t 0A 〔V i (t )-V 0(t )〕/〔C (Z d +Z C )〕d t

其中Z d 和Z c 分别为二极管D 和电容C 的阻抗,A 为运算放大器的开环放大倍数。由于A 通241

本工作得到国家自然科学基金金资助及中国科学院宇宙线与高能天体物理开放实验室资助

常很大(～105),在t 1大部分时间里为输出的最大电流,使过冲较大且为非线性。总之,电压型的峰值保持电路不适于处理快信号。

为了减少过冲电流,在80年代出现了跨导型峰值保持电路,原理图如图2,其中I r 为电流源,提供跨导放大器的静态回路,对该电路有

V p =∫t 0

+t 1t 0{g 〔V i (t )-V 0(t )〕/C }d t

其中g 为跨导放大器的跨导系数,一般较小(约10-2s )。当V c 达到峰值时,电流已趋于零,所以基本无过冲。另外,跨导型放大器的第一转折频率容易做得较高,所以整个电路的通频带较高,且稳定性好,适于处理快信号。

HAPI-4混合型硬X 射线望远镜有充氙多丝正比室和复合晶体闪烁计数器两种类型的探测器,其能谱测量和脉冲形状分析需用高性能的峰值保持器。由于两电路均用于空间探测,所以要求结构简单、元件少、可靠性高和功耗小。

跨导型的峰值保持电路虽然在性能上优于电压型的,但在电路设计上也存在困难。由于使用跨导放大器,在回路增益式A =V 0/V i =g /(C k j )中有一项积分因子(1/k j ),C 为保持电容,为了提高电路的线性性能,需要尽可能大的C ,而加大C 会减小电路的通频带和摆率。同时,为了得到大的动态范围和良好的小幅度性能,大多数系统要求电路的增益为1,而小的C 会使电路在增益为1时不稳定,所以较难设计出既有较大的通频带和摆率,又有较好的线性性能且增益为1的电路。所以至今尚无性能理想的通用电路。文献[1]给出了一种全部为分立元件的电路,在电路设计上采用较小的C (39pF )、较高的增益(8),使电路速度极快(约10ns ),通频带极宽(150M Hz ),但线性不够好(积分非线性0.25%)。文献[2]给出了一种集成和分立元件混合电路,电路设计上采用较大的C (220pF ),使电路线性极好(积分非线性5×10-5),但通频带不够宽(2.2M Hz)。两者电路结构都比较复杂,由于跨导级均采用分立元件,不得不设有复杂的电流控制系统及补偿网络,使用元件较多,不易调试维护。可靠性和一致性都相对较差。并且,两电路都不能通过简单地调节有关参数以适合HAPI -4应用。

综合考虑了两种探测器的特点和性能价格比,我们设计制作了如下两种跨导型脉冲峰值保持器。跨导放大级采用跨导型集成运算放大器,集成跨导运算放大器不同于常用的电压型运算放大器,它输入电压,输出电流I 0=gV i ,其中g 为跨导系数,V i 为差模输入电压,从而省去了静态电流回路,使电路的集成度提高,并有良好的性能。在电路设计上,分别采用两种不同的方法使电路既有较大的通频带和摆率,又有较好的线性性能且增益为1。

2　多丝正比室脉冲峰值保持器

充氙多丝正比室脉冲峰值保持器用来分析多丝正比室的脉冲幅度信号,由于信号路数较多(几十路),脉冲上升时间较慢(>500ns ),所以要求电路简单,成本较低,一致性好,并要求电路在小幅度(100mV )时有较好的线性,保持时间为20μs ,增益为1

。2.1　电路原理

原理图如图3。跨导级采用C A3080,由于该芯片的巧妙设计,使电路无需外接电流源以提供静态回路。CR2、CR4和R4用来减小在跟随和保持两状态间CR3两端的电压摆动,这有利于减小非线性及下垂速率。R 8和C 5为频率补偿元件。采用增强型CM OS 场效应管2N 7000来放电。缓冲级采用LM 310集成运放跟随器,该器件具有高输入阻抗,较宽的频带。电压比较242