（粒子物理与原子核物理专业论文）可变增益线性脉冲放大器的设计与仿真.pdf

摘要 设计了一种新型可变增益线性脉冲放大器。介绍了放大器的基本原理，电路结 构，提高放大器稳定性、精度的措施和方法，最后通过电路仿真和实验整机测试进 行验证。该放大器的作用是对探测器输出微弱脉冲进行放大、整形。一般探测器输 出脉冲信号幅度为几十毫伏，而多道脉冲幅度分析器输入脉冲幅度要求为l 一1 0 v ， 所以脉冲线性放大器必须具有一定的电压放大增益，为数倍到上百倍。能谱仪上用 的线性放大器，除了有足够的放大倍数外，还须有良好的线性和宽广的动态范围。 放大器要求频带宽，以适应辐射脉冲的随机性和其极快的前沿。另外由于探测器输 出脉冲信号底部较宽，脱尾严重，不能满足多道脉冲幅度分析器的要求。这时必需 将信号脉冲整形。 该放大器采用微分成形电路和有源积分成形电路结构，使不规则脉冲变换成标 准的准高斯脉冲。为了克服一般放大器计数率低，温漂大，机械调节粗糙不够稳定 等缺点，使用了非易失性数字电位器x 9 5 1 1 和精密运放o p 3 7 ，使电路结构大大简 化。提高了放大器抗干扰能力，使增益多级连续平稳变化，且具有温漂低、脉冲线 性好等特点。电源质量的好坏是决定系统性能的一个重要因素，放大器共4 路电源， 输入2 2 0 v 通过兀型滤波，变压器变压，全波整流，最后通过三端稳压器稳压，电容 滤波后输出。这样设计简洁，可靠，符合功率要求。 此外，还采用了仿真技术。使得用户在原理图的设计阶段就能够正确分析电路 的工作状态以及电路图的合理性，大大提高了电子线路的设计效率。经过仿真得到 可行的电路结构原理图后，再进行电路的实际设计。该放大器研制成功后，配合导 师研制的多道卡和线性门电路，对标准源、样品煤试验。该放大器可以实现对煤质 的精确分析，现已连续使用二年多，证明该放大器具有良好性能，达到了预期设计 要求。 由于信号处理的好坏与探测器晶体、探测器中光电倍增管直流高压电源、前置 放大、信号主放器都有关系，所以研究时把他们作为一个整体，但主要侧重于信号 主放器的设计。 关键词：线性脉冲放大器；数字电位器；多道谱仪 a b s l r 曩e ih a v ed 。s i 印e da “材do f e wv 射i a b l eg a i nl j n e a rp u l s e 锄l p l i 崩e r i t sf l l n c t i o ni s l h a tl h ew e a l 【p u l s eo fl | l ed e t e d o r 傩肇溅sa f ec a f t i e do ne m 越g e 擞e n t 翘dl e s h 硅p i n g 。 霹薹e m m o nd c 觚舾o m 秘lp u l s es i 舻砖泖i ss e v 耐d o z e n sm i 珏确 l | s ，b u t 氆e l u l t i c h a 曲e lp u l s e 柚a l y z 。ri p u tp u l s e 籼p l i t u d er c q u e s ti s1 - 1 5 、t h e r e f o r ct l l ep u l s e l i n e 缸a m p l i 董i e rm u s t h a v et h ec c n a i nv o l t a g eg a i n ，a b a u tt c nt i m e st os e v e r a lt i m c 8 t h e l 抽e a r 锄球纛o r 鼹巍e 警鼬旺e t e f ，融l si h 勰掇ee 珏e 珏垂e 撼a 薹謇e 氆强l 蠡穗粕d n c e d st h e 露0 0 dl i n c a r i t ya 融吐l eb r o a dd ”枷i c 瑚g e 铀e 抛p l i 五c fr c q u c s t b 柚dw i d t h ， t 0a d a p tr a d i a t i o np u l r a n d o m 蟠a n di t se x t r e m e l yq u i c k 台o m m o r e 0 v e rb e c a u s et h e d c t t 矮o f o u 玲眦p m s es i 翻a lb a s e i sv e r yb r o a d ，j t ss c o p eh a sa l o n g t a i l ，矗c 强n o ta d a p | | of c q 醢e 氍o f 趣em 珏l t i 蘸a 黼e ip 畦s ea m 疼主钮鞠a l y 瓣w em u s 蚰a p e 童。氆es i 铲丑王 p u l s e 1 1 1 i sa r t i d eh a si n 心o d u c e db 鹂i cp r i c i p l eo ft h ea m p l i f i e r t h ee l e c m cc i r 印i t 鞋撙醢聪，霉糠翘c e s 垂圭l e 瓣攀l i 蠡懿，ss l 箍掰l 垃a 娃。珏，躺娃氆em 髓瓣f ea 珏d 芏珏e 瓢纛。f p r e c i s i o n ，谂搬ee n d ，ic a 抒y 曲t h ee n t 知em a c h i n et e s t i n gt h m u g ht h ee l c c t r i cc i r 娜i t s i m u l a t i t 0v a l i d a t e u s i n gt h ef i l t e rf 0 蛳i l l ge l e c t r i cc i r 饥i t 锄dt h ea c t i v ei r l t e g 嘣 f 0 珊i n ge l e c t d cc i r c u i ls 细咖r c ，a n d 壤ei 玎屯g u l a rp l l l s ek 燃et h es t 柏d a f d 啦e a 涮f a l eg a h s sp 堪| s e 。髓撼攮e 锄m 秘箍m 撵i 融鞋娥船t e 远l 稍酶把瓣弘f a 圭l l f cv 糠拯g e d r i f ti sv e r y 群，o d ，也em a c b j n c f ya d j i l s t m e n ti sr o u g h 柚di n s t a b i m y ，i no r d e rt o o v e r c o m et h e s es h o n i m i n g s ；w eu s ed i g i t a ip o t e n t i o i n e t e rr e l a yx 9 5 1 la l l dp r e c i s e o 转越蛀o l 撼躺p l i 嚣e r 3 冀氇ee l e c l 蠢cc 酗至| s 细d u 瓣b e i c o m es 翻豳啦y 粼l 馥| e l h i s 锄p l i f i e r ，s 鞠t 瑶a m m i 端曲丑矗yi sv 蹦yh i 醢，t 董l eg a j nm m 斑t a g cc l l a n g 鹤s t e a d i l y ，i l s t c m p e r a t u r ev o l t a g e 曲f ti sl o w ，柚dt h ep u l s el i n e a r i t yi s9 0 0 da n ds 0 蚰n ep o w e r s q a l i t yi sd e c i d e di nt h es y s t e mp e f f b n n a n c c ，t h ea m p l i 簸髓h a s4g f o u p s ，p o w e rs o u e s ， i 藕p 越2 2 w 妇骶薛蜘嚣蠡聚腧t 瑚s 岛珊e f 泅强f o f m 鑫l i o n ，证量| | l l 憎a v e r e c t i a t i ，重i n a l l yt l l r o u 曲m 卸0 s 协tl c v d i n go f fv o l t a g e ，a f t e rt h ee l e c 仃i cc a p a c i t y f i l t e ro u t p u t s u k et l l i s ，d e s i g ns u c c i n c t l y r e l i a b l e ，s a t i s f yw i t ht l i ep o w e r r e q u e s t a 如es 8 l 娃et 难e ，w 毫h a v ea l s o 珏s e 娃l 醅s 细l 融i o 臻t e c 嘲l o g 了，o b t a 遮氇ef e 镐珀l e e l e d 矗cc i f c u ns 组l c t u r es c h e m a t i cd i a 黟a mb ys i m u l a t 扭舀a i i dc 瓣r yo n 差圭l ee l e c 晒c c i r c u j tt h ea c c u a ld e s i 舭a f t e rt l l i sa l p l i f ! i e rd e v e l 叩ss u c c e s s f l l l l y ，a d dt om u l t i c h a l i e l c a r da n dl i n e a fg a t ec i f c u “w h i c ht e a c h e rd e v e l o p s ，e x p e f i m e n tl om es t a n d a r ds o u f c c a n d 氇es a 獭p l e 蘸氇i s 糖窭 f 擞魏y 端窿i z e 静a 鞋a l y z i 毽a u 豫| e l yl o 凌e a | i n 擎e d i e n t ，w eh a v ea l r e a d yu s e di ta b o u tt w oy e a r s ，i tp r o y e st h i sa m p l i f i c rh a st h eg o o d i i p e d b m a l l c e ，a i l di th a so b t a i n e dt l l e 卸t i c i p a t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s b c c a u s et h es i 印a lp r o c c s s i n gq u a l i t yi sr e l a t i o nt ot h ed e t e c t o rc r y s t a l ，d e t e c t o r s t l l em u l t i p l i e rp h o t o t u b ed i r c c tc u e n th i g h - v o l t a g ep o w c rs u p p l y t h ep r c - 锄p l i f i e ra n d s i 印a ll i n e a rp u l s ea m p l j f ：i e lt 1 l e r e f b r ew h i l ew er e s e a r c hi t ，t a l 【el h e maw h o l e ，b u t m a i n l ys 仃e s s0 nt h el i n e a rp u l s e 枷p l i f i e r 1 【e yw o r d ：l i n e a rp u l s e 锄p l i f i e r ；d i 百t a lp o t e n t i o m e t c r ；m u l t i c h a 衄e ls p e c t r o m e t e r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在释师指导下进行的研究工作及 敷褥的研究成栗。据我所知，除尹文中特涮鸯嚣疆标注帮致谢的穗方拜， 论文中不包含其继入恐经发袋或撰霹过豹磷究藏聚，也不趣含荛获缮客 j e 爆范大学或其他教商机构的学位绒证书蕊使用越的材料。与我一嗣工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学缎论文终者签名：篡堕担 日期： 加凸g 占珥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解东北师范大学有关保留、使用学僚论文的 规定，躲：东北擐范大学有权保整并淘垦象有关郝门或极构送交学位论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可 以凌学挝论文豹全部竣部分内窖编入有关数据瘴遴行检索，可以爱瑗影 印、缩印或其像复制手段保存、汇编学位论文。 ( 缣密戆学位论文在解褰嚣适翅本授投褰) 么 学经论文终者签名：嬗蛰撂导教烬签名：一2 垒：望 日 期：2 烈曼蛰 日 期： 学像论文作者举娩后去内： 工作单位：牡墨迤垣菹堂隆 通讯恁疆：鳖受涎蕴蕊鬟篷叠毽苤 电话： 击i 编： 1 5 7 0 i 2 引言 智能核仪器己成为放射性测量仪器发展的一个主导方向。对应用核技术、大型 火电厂的在线煤质分析，国际核安全与武器核查、国防工程与科学试验等领域将产 生极其深远的影响。在数据采集和信号处理过程中，往往需要在a d c 的前向通道内 设置以线性放大器为核心的信号调整电路，对输入信号进行放大和调整，以满足 a d c 等后续电路的要求。线性脉冲放大器是核辐射探测器与多道脉冲幅度分析器 ( m c a ) 的连接纽带。主要应用在能谱分析中。它是核测量的主要组成部分，应用非 常广泛，而且占据着非常重要的位置。 放大器完成的是对信号的放大和成形。在此过程中，必须严格保证探测器输出 的是有用信息。如：射线的能量信息和时间信息，尽可能减少失真。在核物理实验 或其它实际应用中，对于能量分辨率不高的探测器，一般的放大器就可以满足测量 上的要求。但是，随着核探测技术的发展，尤其是各种半导体探测器的出现，其能 量分辨率有了很大的提高，往往要求放大器对总的能量分辨率的影响不超过万分之 几。脉冲成形、放大的线性、温度漂移、频率响应等都影响着计数率和测量精度。 因此，对放大器引起能量畸变的各种因素都要加以考虑。”1 国际上，在能谱测量中，如：x 射线谱分析、y 射线谱分析等，为了提高测量效 率，应用了计算机与电子学的新技术，系统的各项指标整体性能有了很大提高，如： ( 1 ) 提高分析精度、降低微分非线性 ( 2 ) 减少系统死时间 ( 3 ) 智能化程度提高 基于计算机技术的人工智能设计思想引入放大器器，对信号采集、数据处理， 都能实现一定程度的自动化。且随着软件设计水平的提高，自动化程度不断提高， 表现在：对仪器自身还可以完成自检、自分析、自报告和对一些故障的自处理。 美国奥泰克公司生产的放大器，把高压、前置、主放、谱仪等集成在一块电路 板进行封装。采用智能元件，与软件通信，智能控制，实现自动稳谱，精度高、温 漂低。 目前我国的上海原子能研究院做的比较好，技术力量较为雄厚。但是，随着核 探测技术的发展，尤其是各种半导体探测器的出现，其能量分辨率有了很大的提高， 往往要求放大器对总的能量分辨率的影响不超过万分之几，脉冲成形、放大的线性、 温度漂移、频率响应等都影响着计数率和测量精度。因此，对放大器引起能量畸变 的各种因素都要加以考虑，原有的放大器不能适合新的要求了。 我们( 东北师范大学辐射技术研究所) 利用脉冲快热中子分析( p f t n a ) 技术 己能对煤中元素进行快速测量，并且开发出了脉冲中子煤质快速分析仪，已在长山、 吉林等电厂使用，性能良好。在此基础上，我们利用此技术对爆炸物模拟物进行了 测量，并取得初步成果。但是目前的设备中线性脉冲放大器不够理想，一是微分时 间常数过大，造成谱仪测量的死时间过多；二是集成运放选择不恰当，集成块所具 有的温漂系数大、单位增益带宽较窄，造成计数率低，不够稳定，长时间运行引起 道数漂移，机械调解冲击大。为了充分发挥该中子发生器的性能，满足对中子发生 器和物质作用产生射线的有效探测，我们采用一系列技术对相关电路进行了改造。 包括线性放大器与电源设备。 2 第 耄线t 睦脉；枣放大器介绍 1 。1 放大器在测量仪器中的作用 在数据采集秘信号整理避稷中，往往嚣黉在a p c 瓣虢囱逶道内没鞭戳线性放大 器为核心的信号调整电路，对输入信号进彳亍放大和调整，以满足a d c 等后续电路的 要求。线性脉冲放大器是核辐射探测器与多道脉冲幅度分析器( m c a ) 的连接纽带。 在孩测量中主放大器麴霞置翔麴卜l 掰示。 图l l 主放大器在测量仪器中位置 茭孛搽测器越罄恕射线转化藏巍信号豹终翅，痞号袋想披放大嚣懿遵，必须兔 电荫号，负责诧经务的就是沌电倍增管如骝卜2 所示。 输出 卜光阴极f 一聚焦极d l d 1 0 打拿极a 一阳极 圈卜2光电倍增管工作原理 典型的放射饿测量是通过输出脉冲计数率来完成的，探溉器赣蹬的信号往往非 常小，需要加以放大再进一步处理，为了减小探测嚣与放大器连接处存在的分布电 容，个主要措施就是把放大嚣和探测器安装在一起。饭是，在实际墩用中，系统 跑较笨重，且霹熊受蘩探溺嚣臻臻条箨懿羧爨，不整蔽麓藏操露。嚣魏，往往将赦 大器分为前置放大器和主放大器。前置放大器体积小，紧靠探测器并与探测器构成 一个整体，称为探头。“”这样，不仅可以掇高系统的信噪比，而且还可以减小在传 输邋程孛努界豹影响。蔫置效大器输出豹脉冲揠瘦和波形著不适会予菇续分辑电鼹 的蒙求，所鞋要辩信号进一步放大和成形。为了得到最僚信嗓比和掇供脉冲幅度分 析器所要求的脉冲形状，也必须采用脉冲成形电路，这一环节称为主放大器或谱仪 放大器。 1 2 常见探测器的性能分析 不同的探测器类型使用不同电源电压，不同的探测器输出的脉冲幅度、波形等 也是不同的，在设计主放大器时要考虑这些因素。所以有必要先对它进行介绍。探 测器的类型主要有：闪烁探测器、半导体探测器、气体探测器。 1 2 1 气体探测器 气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，根据其所处的工作状态，通 常可分为三类，即电离室、正比计数器和盖革计数器等。 工作原理：外加电压增加，使电离产生的电子，在强电场的作用下，电子向阳 极移动加速，这种高速运动的电子与管内的气体分子碰撞，气体再一次电离，进而 产生许多新的电子，会得到更大的速度向阳极运动，同样能引起再一次的次级电离。 如此下去，多次的新的次级电离，使得阳极附近在极短时间内，产生大量次级电子， 这种现象称为雪崩。结果，大量的负离子跑到阳极上，阳极产生放电，两极间电压 发生瞬间降落，这种电压的瞬间改变称为脉冲电压，把电压的微小变化输送到定标 器上，经过电子学线路整理、甄别、放大，被特殊的记录装置记录下来，就可以用 来进行粒子流的强度和能量测量。1 气体探测器的优点是探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制，没有辐射 损伤或极易恢复，经济可靠。气体探测器制作简单、成本低廉、性能可靠、使用方 便、信号幅度大、易于记录。缺点是探测效率低。 1 2 2 闪烁探测器 图卜3 闪烁探测器结构原理图 工作原理是：如图卜3 ，射线进入闪烁体与之发生相互作用，闪烁体吸收带电 粒子能量而使原子、分子电离和激发。同时受激原子、分子退激时发射荧光光子。 4 再利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光 电效应，光予在光阴极上击出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增 蠢瑶戮l g l i 妒个，这群电子滚焱蠲摄囊载土产生电荣号。 1 2 3 半导体探淄嚣 用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的探测器。实质上是一个半导体 材料商掺杂的较大体积的晶体二极管。入射粒子进入半警体探铡器聪，产生空穴一 电予澍，这些黧穴- 一毫子对被凑溅器秀激檄翡毫场分嚣，劳分爱被溺极帮鞠辍l | 芟 集，产生同射线粒子交出的熊麓成正比的输出脉冲信号，从而可探测射线的强度。 由于产生一个空穴一电子对所需的能量约3 电子伏特，半导体探测器的能量分辨率 毖闪烁计数器邵气体电离擐测瀑豹要毫褥多。”“ 半导体探浏器优点是能豢分辨率高、线性范围宽、辩金硅面垒或鞭结型探测 器输出脉冲的上升时间快，体积小。缺点赵受辐照后性能变坏，脉冲幅度变小，性 能髓温度变化。 1 2 。4 搽嚣嚣毪辘慧结 三种材料搛测器性能比较如下： 表1 一l 探测器炎趔比较 类型魄较内容 般由核辐射闪烁体稻光晤涪增管缀成，这类探测糕有探测效率 闪烁体探测器 高的优点。 这类探测器熙有能量分辨攀瘫、上升射闽快、线性响应好、抗磁 拳罨髂搽浏器 场于撬、绩祷綮凑等徒悫。 这是发展最犟、应用最广的探测器，嫩有结构简单、使用方便、 气体探测器 价格便宜等优点。 在中予发生器应用领域中，常用几种探测嚣的用途与优缺点见表卜2 表1 2 几种常见的探测器 名称圭臻用途 线点 缺点 主要溺低能y 移透嚼往好，麓露光电倍增警饭荮荔潮解，吸承两变 n a i x 射线熙配，分辨率怒闪烁体中最好的。质，需密封 z n s 测量y 射线和价格低，发光效率高，是测微弱 半透明，对y 射线 ( a 宙强痰。a 菝射程簸努懿阗爆钵。不灵敏。 对高熊y 和低能透明性好，翁加工，不潮解，热 b g 0 发光效率低 x 射线效率高，膨胀系数小。 生产髑麓长，嚣要 毫缝锤主要测潼￥瓣线掭溅效率毫 低滠馕粥帮保存。 1 3 放大器设计原则 1 3 1 放大器的设计应该与探测器类型对应 像常用的探测器如：n a i 闪烁探测器输出y ，脉冲宽度大约2 u s ，脉冲幅度为 2 0 0 m v 左右的负脉冲，脉冲形状为前沿陡峭后沿和缓。b g o 的和它差不多，宽度稍 宽，幅度偏小。“”所以设计时一定要对应起来，不同探测器用同一个主放是不正确 的。像电制冷s i p i n 半导体探测器一般不需要另外设计放大器，因为它的幅度很 大，前后沿形状对称，输出正脉冲。 而我们所设计的放大器主要是对应b g 0 探测器，它的输出脉冲信号幅度为几十 毫伏，变化较大，脉冲脱尾长，而多道脉冲幅度分析仪( m c a ) 输入脉冲幅度要求为 卜l o v ，所以脉冲线性放大器必须具有一定的电压放大增益，为数倍到几十倍。能 谱仪上用的线性放大器，除了有足够的放大倍数外，还须有良好的线性和宽广的动 态范围，以适应几十毫伏到几伏之间脉冲线性放大的需求，放大器要求频带宽，以 适应辐射脉冲的随机性和其极快的前沿。另外，诸如放大器的输入阻抗，输出阻抗， 抗计数过载、放大器的稳定性、功耗等在电路设计和调试时也应考虑。 1 3 2 放大器的线性 指放大器的输入和输出信号幅度关系。核电子学中一般把主放称之为线性脉冲 放大器。在一定范围内，放大器的放大倍数不随输入幅度而变化。这是精确测量能 谱所必需的。 1 3 3 放大器稳定性 稳定性是一个很重要的指标，最常见的是由温度变化引起的，我们一般称为温 漂，电源变化引起的和长时间使用引起的一般称为时漂。其中温漂和电源变化引起 的漂移在本次设计中引起了足够的重视。原来不理此问题，经过咨询和实际试验逐 渐理解。道数漂移的原因，我认为有放大器的稳定性的因素，除此之外放大器的非 线性也会引起道数漂移。 1 _ 3 4 脉冲堆积的消除 由于核事件发生的随机性质，两个核事件在极短的时间间隔内连续发生就有一 定的几率，信号脉冲有一定的宽度，因而脉冲堆积就成为不可避免。为了克服，首 先将主放的输入信号变窄，可以采用小时间常数的微分电路，通常微分时间常数为 零点几到几微秒，但是实际做试验的时候很难做到，因为当减小时间常数的时候， 输入波形发生了变化，具体原因未知，最后只能尽量减小。“” 1 3 5 频率响应的改善 由于从探测器出来负脉冲信号为高频信号，由于本次设计采用了o p 3 7 宽带精 密低温漂放大器，0 p 3 7 的单位增益带宽为6 3 m h z 并且采用三级放大。这样频带得 到极大的拓宽。后面有试验数据，可以比对。 6 1 3 6 传输信号的同轴电缆 通常应用同轴电缆连接探头与放大器，以及各插件。在通过同轴电线进行施出 端和输入端的连接时，须注意以下几个问题： 传输延迟 信号在同轴电缆中每米长度上的传输时间比光在真空( 或空气) 小同样长度上 的传播时间( 3 3 3 5 n s m ) 要长。绝缘材料为聚乙烯( e = 2 2 5 ) 的同轴电缆如r g 5 8 ， r g 5 9 每米长度的传输时间约为5 n s m 。 特性阻抗z 若一阶跃电流输入电缆，则该电流将在传输时间内，连续地给电缆电容充电。 在输入端可测到恒定电压与电流比 z = 等一瓜 若u 。i 。= r l 的值不等于z ( u l ，i t 和r t 分别为负藏电压负载电流、负载电阻) ， 则电缆中传送的信号会在终端被反射回来。若r 。= z ，则负载与电缆匹配，无反射发 生。 7 第2 章新型主放大器的整体设计 2 1 原放大器的结构与性能分析 原放大器是研究所在三年前购买的，在使用中不够稳定，表现在：电源部分滤 波电容的爆裂；增益机械式调节粗糙，冲击大；带宽窄，线性度不好；测量的谱形 经常发生漂移。探测器输出的是负电压脉冲信号，送入脉冲放大电路图2 1 。经信 号幅度衰减器衰减，再经三级放大，送往下一级电路。 2 1 1 原主放原理图 该电路的输出的脉冲电压幅度v o u t 一( k 1 k 2 k 3 ) v i n 。其中，v i n 是输入脉 冲电压幅度；k 1 、k 2 、k 3 分别为第一级、第二级和第三级放大器的放大倍数。运 用两个l f 3 5 7 和一个l f 3 5 6 集成运算放大器。该电路总的放大倍数约为5 到2 5 倍。 每级放大器都设计有阻容反馈电路、脉冲成形电路，用以减少脉冲叠加，提高 放大器的抗计数率过载能力，改善放大器的信噪比等。通过脉冲成形网络，使电路 输出脉冲信号宽度约为3 5 u s 。 8 图2 1 原有主放大器原理图 2 1 2 原放大器采用的集成运放电参数 电路中运算放大器采用了l f 3 5 6 、l f 3 5 7 ，他们是j f e t ( j u n c t i o nf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 输入运算放大器，同时是一种高输入阻抗放大器，它们是由美国国家半 导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 制造的，与国内同类产品c f 3 5 6 、c f 3 5 7 相对应。 5 l f 3 5 6 l f 3 5 7 器件主要特点： 宽的带宽； 低的输入偏置电流和输入失调电流 高的输入阻抗( 1 0 ”q ) ； 低的输入失调电压( 3m v ) ； 低的输入噪声电流( o o ld a ) ； 工作温度范围 ( 0 7 0 ) 摄氏度： 详细的参数见表2 1 ： 表2 1l f 3 5 6 l f 3 5 7 技术参数 参数测试条件 l f 3 5 6 l f 3 5 7单位 r s = 5 0 qr a = 2 5 输入失调电压 3 m v v i c = o vt a m i n t a t a m a x 输入失调电压 温度系数 r s = 5 0 q t a m i n t a t a 姒x5u v 输入失调电流 v i c = o v r j = 2 5 t j t a m a x 3d a 输入偏置电流 v i c = o v r j = 2 5 t j t a m a ) ( 3 0 d a 输入电阻 t j = 2 5 1 0 1 2 q v s = 1 5 v r a = 2 5 开环电压增益r l = 2 k q2 0 0v m v r a m i n t a t a m a x v o = 1 0 v 共模输入 电压范围 v s = 1 5 vt a m i n t a t a m a x1 5 1 v 共模抑制比t a l i n t a t a 姒x1 0 0d b v s = 1 5 v 转换速率r a = 2 5 1 2 ( 5 0 )v us a v = l 增益带宽乘积 v s = 1 5 vm = 2 5 5 ( 2 0 )删z v s = 1 5 v 等效输入 f = l o o h z 1 5 r a = 2 5 n v 噪声电压 r s = 1 0 0 q1 2 f = 】k h z 等效输入 v s = 1 5 v f = 1 0 0 h zt a = 2 5 0 0 l p a 噪声电流 f = 1 k h z 2 1 3 试验数据 表2 2 线性测试( 档位4 ) v i n 3 1 m v4 3 m v5 1 m v6 8 m v7 4 m v8 8 m v v o u t4 7 0 v6 4 5 m v8 2 1 脚v 9 9 3 】 v1 2 y1 5 v a ( v ) 1 5 2 1 5 1 6 1 4 61 5 81 6 5 1 0 表2 3 频带测试( 输入电压为8 0 m v ) h z ( i n )8 0 k h z 1 0 0 k h z1 5 0 k h z 2 0 0 k h z2 5 0 k h z3 0 0 k h z v 。u t 1 4 v1 4 v1 3 v 1 1 v9 8 0 m v9 1 2 m v 温漂测试：没有实际测试 2 1 4 原放大器性能分析 在放大器中，集成运算放大器的选择是关键，温度漂移和频带的大小都取决于 集成运放。从上面的电参数中可以看到l f 3 5 7 l f 3 5 6 的温漂都是5 u v ，单位增益 带宽l f 3 5 7 为2 0 删z ，l f 3 5 6 为5 删z ，严重制约了带宽。主放采用3 5 6 的原因是 考虑了输入阻抗高输出阻抗低，这是对的。但是它的频带窄，而且放大倍数为5 左 右( 射级输出应该为1 ) ，这是很大的失误。微分成形电路的时间常数偏大，这将 增大测量的死时间。 2 2 新型放大器电路结构及原理 鉴于原放大器缺点，对滤波电路、增益改变电路、集成运算放大器的选择进行 重新设计。因为从探测器出来的信号很微弱般为m v 级或u v 级，通过前置放大器 放大后一般为几十毫伏。因此系统要求有很大的放大倍数，放大倍数为2 0 1 0 0 倍。 显然，这样大的放大倍数是不可能只用一级放大能够实现的，在系统的设计上是采 取两级放大加上一级跟随来实现。 2 2 1 新型放大器的原理框图 图2 2 可变增益放大器功能框图 在实际能谱测量时，所测的是信号脉冲的峰顶幅度，但是探测器输出信号经放 大、成形后的脉冲信号其峰顶宽度是比较窄的，甚至是尖顶的，不能满足多道脉冲 幅度分析器和其它仪器的要求。这时必需将信号脉冲展宽，使脉冲信号的峰值能保 持一段时间，再送入后续电路或者过一段时间再取出来使用。脉冲幅度分析器要正 确地分析由探测器输出的脉冲幅度，就要求输入的脉冲有一定的形状，能正确地反 映辐射的能量分布。由于每个原子的蜕变是一种随机事件，而核辐射探测器输出 的脉冲通常是前沿极陡( 几十至几百纳秒) ，而后沿衰减时间却相当长( 几微秒) 。当 脉冲计数率较高时，几个辐射粒子在相近的时间内到达，使辐射脉冲产生脉冲堆积 现象，致使脉冲幅度分布信息失真。为此必须通过一定的电路来消除这种现象，采 用了微分滤波电路和积分滤波电路。 对于微弱的信号，第一级放大是所有三级放大中最为关键的，要尽可能地抑制 噪声，否则在第一级引入的噪声将随着信号一起进入后级放大器，并一步步地放大， 可能会导致最后一级放大器噪声限幅。“1 因此，在设计上要做到：电路板布线合理， 电源噪声和纹波抑制强度大，第一级放大要有良好的屏蔽和抗干扰性。在图2 2 中， 第一级和第二级的级间耦合采用直接耦合方式，因为对弱信号和微分整形后的信号 若采用阻容耦合对信号的幅度和波形都有影响。经过两级放大的信号，具有一定的 幅值，所以采用阻容耦合方式可以避免工作点之间的影响，第三级为射极跟随放大 量为l ，它的主要作用是：增大输入阻抗，减小输出阻抗。原理图如图2 3 所示。 热一 图2 3 新型放大器原理图 2 2 2 微分滤波电路 图2 4 ( a ) 所示的波形是前置放大器的输出信号，其尾部衰减的时间常数通常在 几十微秒以上，而其上升时间通常有几十纳秒。这种“堆积信号”很容易使放大器 阻塞而失去放大功能，因而很难进行线性放大。为了缩短在辐射探测器中产生的脉 冲后沿，脉冲成形电路是必不可少的。1 图2 4 微分滤波电路和波形 如果让核脉冲信号通过一个由电容c 和电阻r 组成的微分电路( 如图2 4 ( d ) 所 示) ，其r c 时间常数远小于信号的衰减时间常数，就可以使“堆积”的核脉冲信号 分开，并从基线处开始增长( 如图2 4 ( b ) 所示) 。用c r 滤波成形电路可以消除这种“长 尾堆积”。虽然简单的c r 微分电路可以使“堆积”的核脉冲信号分开。但是，实际 中，前置放大器输出的电压脉冲并不是理想的阶跃信号，其后沿是随时间按指数规 律衰减的。这样的脉冲经过c r 滤波电路后，在信号尾部出现了“反冲”( 如图2 4 ( b ) 所示) 。当过载脉冲出现时，反冲幅度可能很大，使放大器的抗过载能力下降：当脉 冲的计数率很高时，来不及恢复的反冲尾巴就会叠加起来，加剧基线漂移，将严重 妨碍放大器在高计数率情况下的工作。采用极一零补偿技术，设计一个电路消除后 沿的反冲，即：极一零相消成形电路，如图2 4 ( c ) 所示。也就是在简单的微分电路 的电容c 上并联了一个电阻r 2 ，保证r 2 r 1 ，跨接了一条直流通路，使输出脉冲成 为交流和直流两路信号的叠加。由原来的交流通路藕合过来的反冲，现在被直流通 路传递过来，被衰减的原始脉冲所抵消，使长长的反冲消失。 也可以由理论计算得出：” 一ke x p ( 一f ，r c ) ( 2 一1 ) 这样，输出脉冲的后沿即为一个以r c 时间常数衰减的指数曲线，从而削弱了尾 部的“反冲”。这种微分成形电路特别适合于成形有过载脉冲的高计数率的脉冲信 号。实际使用中，在这种成形电路后往往加有几级相应的积分电路，就可以获得单 一极性，顶部较圆，信噪比较高的信号。 2 2 3 有源积分滤波电路 当波形为无限宽尖顶脉冲时可以达到最佳信噪比，如图2 5 ( a ) 所示。尽管这样 的理想脉冲波形是无法实现的，而且还不符合后续电路的测量要求，但在理论上， 指出了信噪比的极限与成形波形的关系。在实际中，通常用比较简单的实际滤波器 来近似，希望尽可能使成形后的波形接近无限宽的尖顶脉冲，以获得较好的信噪比， 又能适合于后续电路的分析。高斯型波形是具有无限宽的脉冲，而其顶部也保持一 定的宽度，如图2 5 ( b ) 所示。实际中，脉冲的宽度总是有限的，为了达到高计数 率的测量要求，还应减小脉冲宽度。通常把波形接近于高斯型波形的脉冲，称为准 高斯型波形或半高斯成形。“1 图2 5 ( a ) 无限宽尖脉冲波形( b ) 高斯型脉冲波形 采用r c 积分滤波成形电路，可以获得准高斯型波形。在实际工作中，为了更接 近于高斯型波形，又有较高的信噪比，通常采用一级极一零相消成形电路和2 4 级r c 积分滤波。r c 积分滤波成形电路有两种：无源r c 积分电路和有源r c 积分电路。有源 滤波成形电路是由运算放大器、电阻和电容等电子元件组成。有源滤波成形电路与 无源滤波成形电路相比，更接近于理想的微分和积分特性。采用有源滤波成形电路， 可以把放大和滤波成形做在一起，既节省了元件，而且还减少滤波成形的级数，效 果还要好。 八 图2 6 积分滤波成形电路 图2 6 是两级积分滤波成形电路。前一级是二阶有源积分滤波成形电路。脉冲 信号从同相端输入，它对r c 网络有很高的输入阻抗。因此，电路的选频特性基本上 取决于r c 网络，改变r 6 与r 2 的比值，就可以获得所需要的增益。随后紧跟一级无源 r c 积分电路。核脉冲信号经过两级的积分滤波成形电路后，就可以得到单一极性， 顶部较圆，信噪比较高的“准高斯型波形”信号。 2 2 4 集成运放的选择 集成运放的选择经历一个长时间的过程，由于一开始时对集成运放的参数了解 不是很充分，如温漂、共模抑制比、增益带宽乘积、输入阻抗、输出阻抗、转换速 率等等。共经历了从i c l 7 6 5 0 ，a d 6 2 0 、a d 6 3 0 、c f 2 6 2 0 、a d 7 9 7 等许多型号。深入 研究了他们的各项参数，有的集成运放不适合，有的市场上买不到，最终确定为 0 p 3 7 。0 p 3 7 是一种高精度集成运算放大器，这类运放的主要特点是增益可共模抑 制比很高( 1 0 0 d b 以上) ，而失调、温漂和噪声则特别小，它除了采用超8 和低噪声 1 4 的晶体管之外，还采用了严格的热匹配设计和引进低温度系数的高精密电阻制造技 术，以获得尽可能低的失调电压和失调电流。0 1 其主要技术参数如下： 输入噪声：在o 1 h z l o h z 时，典型值为0 0 8 uv 。最大值为o 1 8 i lv p + ，在 l 0 0 0 h z 时，典型值为3 2 n v 。最大值为4 5 n v 。； 速度：最小值：1 1 v us ，典型值：1 1 9 v “s ； 带宽：6 3 旧z ； 电源供电：士4 v 一士1 8 v ； 输出电阻：7 0 0 0 ； 输入电阻：r 。典型值为5m q ； 短路电流：2 5 i i l a ； 低温漂：0 2 u v ： 2 2 5 增益计算 从图2 7 可以看出0 p 3 7 在本电路 中为典型的放大电路的接法，它的放大 倍数由r 1 和r 2 决定，a v = r 1 r 2 。因为 r l 和r 2 决定放大倍数，因此这样的电 阻的阻值不能波动，选用了高精度的金 属膜电阻，就是价格高了一些。 图2 7o p 3 7 应用电路原理图 2 2 6 提高放大器线性 提高放大器的线性，也就是要求放大器对各种幅度的脉冲信号放大倍数恒定， 否则也会造成谱线畸变。然而，放大器的增益可能受到电源电压不稳定、元件老化 以及温度变化的影响。采用负反馈，可以把各种不稳定因素减小到最低程度。“” 下图2 8 是一线性放大电路。反馈是通过电阻r 5 实现的。如果某一放大级开 环增益为a ，则对于幅度为v i 的输入信号，其输出信号的幅度v o 应为a v i ，如果 将输出信号的一部分f 反馈到放大器的反相输入端，则输入信号应从v i 中减去这 一部分，所以： v o = a( v i f v o ) 变换后，v o = a v i ( 1 + a f ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) v 图2 8 提高放大器线性电路图 因此，闭环增益为：v o v i = a ( 1 + a f ) 。把这种放大器设计成a f l ，因此闭 环增益近似等于1 f 。其中f 的数值决定于反馈电阻的大小。因此，如果反馈电阻 不随时间变化，并且对温度的变化很不敏感，则闭环增益就将是稳定的。在实际中， 往往采用深度负反馈，来获得高稳定度的闭环增益，从而得到很好的线性。 2 3 电源系统设计 2 3 1 供电电源重要性 如果供电电源本身就有很大的交流干扰或者有很大的纹波系数，将给系统引入 许多噪声干扰，而这些引入的噪声都属于本机噪声。在很多电路系统中，特别是小 信号的模拟系统中，电源质量的好坏是决定系统性能的一个决定性因素。因此在电 源设计上给与了极大重视。 2 3 2 供电电源电路 放大电路中o p 3 7 用到+ 1 2 v ，一1 2 v 电源，l f 3 5 6 用到+ 1 5 v 和一1 2 v 。探测器中光 电倍增管的0 1 0 0 0 v 直流电源用到了+ 5 v 和1 2 v 。共4 路电源。图2 9 就是放大器 与探头高压的初级供电电源。输入2 2 0 v 通过兀型滤波，滤除高频与低频干扰，变压 器变压，全波整流，最后通过三端稳压器稳压，电容滤波后输出。这样设计简洁， 可靠，符合所需要的直流电源与功率要求。 1 6 图2 9 新型主放供电系统电路原理图 2 3 3 供电电源的进一步处理 经过一次稳压滤波后的士1 2 v 电源给模拟器件供电，但是这样电源不能满足本 系统微弱信号处理的要求，因此必需在电路上对电源进行进一步的处理、滤波。在 电路中还存在同一个直流电源给多个电路供电的问题，这样可能导致由电源的内阻 引起各电路间的相互干扰，或产生诸如自激振荡之类的噪声，所以在电源的设计上 还应该在每个单元电路的直流电源线与地线之间加上一个旁路滤波，它一般由电 感、电容及电阻构成。旁路滤波是最常见的一种无源滤波器电路，主要用于对电源 网络中干扰信号的滤除；交直流信号叠加的电路中滤除交流分量而保留直流分量， 或在高频电路中滤除高频信号干扰。 1 7 7 脚 + l z 图2 1 0 电源滤波电路 图2 一1 0 的电路中接入了许多电感和电容，而这些电感电容构成的是一个n 型 低通滤波器。其主要作用是电源滤波和防止级间藕合。要降低运放的噪声，除了与 运放的本身参数有关之外，还与电源的好坏有关。而低通滤波器能抑制电源线上的 中高频干扰。此外，给第一级运放供电的正负电源还要给其他的运放供电，为了消 除级间的藕合干扰，滤波也是必须的。 n 型滤波器采用是大电感，其大小为1 8 i i l h 。因为整个电路的功率不大，对电 源的效率也没有特别的要求，所以为了达到最佳的滤波效果( 主要是能滤掉更低的 频率) ，采用大容量的电感是可行的。n 型滤波器采用的是一大一小两个电容并联 的方式滤波，分别用于滤除低频和高频干扰。由于放大电路中用到了o p 3 7 集成运 放供电为4 v 1 8 之间，双电源供电，实验测试发现它的供电对于本电路不能太高， 大约l o v 为好，我们采用+ 1 2 v 和一1 2 v 。由于我们的滤波电路需要大电感，而我要 用的1 8 电感的电阻为l o o 欧左右，直流在电感上有一定的分压，因此加到运放 上的供电电压大约只有士1 0 v ，这正是我们所需要的。 2 4 制作板图 电路系统的布线包括系统中各印刷电路板的设计及走线，以及电路中各元件 问的位置排列等。设计合理的布线有两方面的含