脉冲放大器(主放大器)

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。
有源滤波成形电路（一）
H(s) Vo(s) Vi(s)
R3 C // R3 R2 // C1 1 R R2 2 1 R2 R1 R2 // C1 1 s 1 1 s 2
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。
(s
1 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
)m 1
由拉氏变换
L[t e u (t )]
n
t
n! ( s ) n1
那么CR-(RC)m滤波成形电路的输出信号为
Q t m Vo(t ) ( ) e u(t ) m! Cf
t
(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。
C
v(t)
vo(t)
t v(t)
vo(t)
t
R
t
t
1.0
reletive magnitude
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
1.0
i=50s
0
20
reletive magnitude
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0 20
40 60 80 t(s) =6s i=50s
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
C1 A=1 Q vi(t) Cf R1 C2 R2 A=1 C3
起隔离作用，减小滤波成形 电路之间的相互影响
R3 A=1
Rm+1 vo(t) 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。
脉冲放大器 （主放大器）
探测器 辐射源 高压
前放
主放
分析测量 设备
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）
电荷灵敏前放的输出信号
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
100
40
60
80
100
t(s)
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
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 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。
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。
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 宽度，能满足后续分析测量电路的要求。
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
6.81 Af ~ 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。 成形：在时域中将信号成形为某种形状。
• 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。
相位补偿电路
集成运放放大节举例（一）
退耦电路
输出限幅
3160 348 Af ~ 10 348
传递函数为
H(s) R R ( 1 sC )m sRC 1 sRC s ( )m sRC 1 sRC 1 (sRC 1)m 1 (s 1)m 1
1 1 R sC sC Q Vi(s) Cf s
Vo(s ) Vi(s )H(s )
Q s Q Cf s (s 1)m 1 Cf m
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。
Rf Af R Ri R Ro 0
Rf Af 1 R Ri Ro 0
粗调
细调
核电子学中对放大节电路的要求