第三章 放大器.ppt

第三章放大器 放大器概述谱仪放大器快放大器弱电流放大器 放大器常用类型 谱仪放大器 用于核辐射能谱仪中信号放大 一般在前置放大器之后 称之为主放大器 快放大器 用于时间测量或高计数率条件下信号放大 弱电流放大器 用于强度测量中计数积累效应产生电信号的放大 放大器在核测量系统中的作用 前置放大器的功能是解决和探测器的配合以及对探测器信号进行初步放大和处理 但是前置放大器输出的脉冲幅度和波形并不适合后面分析测量设备如单道分析器和多道分析器等 所以对信号还需要进一步放大和成形 在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出的有用信息如射线的能量信息和时间信息 尽可能减少它们的失真 这样一个放大和成形任务由主放大器来完成 其在测量系统中的具体位置如下图所示 探测器 分析测量仪器 高压 辐射源 前放 放大器 通常在能谱测量中所用的放大器 主要看其在能谱测量中对能量分辨率的影响大小 尽可能降低它的影响 当前的放大器利用滤波成形技术 基线恢复技术 堆积拒绝技术 建立适用于高计数率高能量分辨率的谱仪放大器 放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求 必须解决两个问题 把小信号放大到需要的幅度滤波成形 目的是放大有用的信号 降低噪声 提高信噪比 适合于后续电路的测量 尽可能不丢失有用信息 无论是进一步放大或是滤波成形 都必须保持由探测器输出的信息 幅度信息时间信息在能谱测量中对时间信息并无要求 所以在滤波成形时就不必考虑时间信息方面的要求 同样在时间测量中对能量信息并无要求时 也不必考虑能量信息的要求 谱仪放大器的原理方框图 谱仪放大器的基本功能 放大来自前置放大器输出的信号 使其达到分析测量系统所要求的幅度范围 成形与滤波 用来尽可能减少谱形畸变和提高能量分辨 这包括提高信噪比 减少堆积和基线涨落 减小径迹亏损和提高抗幅度过载能力等方面 以满足物理实验的需要 谱仪放大器性能提高 在谱仪放大器中 为提高信号噪声比 采用一次微分和三次到四次积分滤波成形电路 在计数率高的情况下 信号堆积和隔直电容充放电会引起的基线漂移使谱线变宽 分辨率变坏 峰位移动 要解决这些问题要引进基线恢复器 在高计数率条件下脉冲堆积的影响将是十分严重的 导致能量分辨率变差 能量畸变 采用堆积拒绝电路 剔除堆积信号 将使放大器性能进一步提高 放大器的增益及稳定性 放大器增益定义当输入足够宽的矩形脉冲或阶跃电压时 输出信号与输入信号幅度之比为放大器的增益或放大倍数 放大器的放大倍数取决于放大器输出幅值和后续分析测量设备所要求的信号大小 从前置放大器输出信号的幅度范围从毫伏到伏数量级 而模数变换系统要求输入幅度达5伏或10伏范围 因此对谱仪放大器的增益要求为几千倍到几倍 并要求可调 放大器的增益稳定性是放大器在连续使用的时间内由于环境温度的变化 电源变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度 其结果是使测量到的能谱产生畸变 实验结果误差增大 高分辨谱仪系统在环境变化或长时间工作时一般要求增益相对稳定性为0 1 或更小 增益的温度系数在0 01 C左右 当电源变化1 时 增益变化应小于0 05 提高增益稳定性主要采用深度负反馈方法 使开环增益与反馈系数之积很大 负反馈愈深即愈大 增益的稳定性也就愈好 放大器增益稳定性 放大器的线性 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 在谱仪中对于不同的输入信号幅度放大器的放大倍数应该保持不变 实际上 在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的幅度变化而有一个微小的变化 线性 是个很重要的指标 一个理想的放大器 输出幅度与输入幅度关系曲线应该是一条通过原点的直线 其斜率为其增益 但一个实际放大器的输出幅度与输入幅度关系曲线总是与理想直线有一定偏离 也就是存在着非线性 通常分为积分非线性 INL 和微分非线性 DNL 定义放大器的积分非线性为表示在输出从0到范围内实验点与拟合直线之间的差值最大值 为最大输出额定信号幅度 积分非线性直接影响到能量刻度误差及使峰位发生偏移 积分非线性 INL 用电桥法测量放大器的积分非线性 测量电路图 微分非线性 DNL 定义放大器的积分非线性为是指实际测量到的放大器输出特性曲线上某处的斜率 也就是放大器的放大倍数 微分非线性给出了放大器在不同的输出幅度时放大倍数的变化 由于存在微分非线性 会使能谱产生畸变 非线性产生原因与改善 主要原因 放大器内部晶体管 场效应管和运算放大器等非线性元件的参量在工作电压或电流在大范围变化时使放大器增益产生变化 从而产生非线性 改善方法 通过选择电路中有源元件合适的工作点 在要求的动态范围内使它们能线性的应用 采用深度负反馈来减少非线性畸变 可是使放大器非线性减为原来的 放大器噪声和信噪比 放大器输出信息由信号 噪声和干扰组成 干扰信号是外部的 可以通过各种方法减到最小 噪声是由前置放大器输出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定的 一般放大器输入端的噪声只要比前置放大器输出端的噪声小一个量级就可以满足要求 由于核辐射探测器输出信号较小 噪声叠加在有用信号上 使能量分辨率变坏 前置放大器的噪声功率谱密度为 因此在放大器内部采用合适的滤波成形电路来限制频带 就能抑制噪声 放大器的幅度过载特性 放大器工作超出线性范围较小时放大器还能正常工作 只是非线性系数变大 而当超出范围很大时放大器在一段时间内就不能正常工作 这种现象称为放大器的幅度过载 也成为阻塞 引起过载的脉冲称为过载脉冲 这一段不能恢复正常工作的时间称为放大器的死时间 deadtime 举例 在测量同位素的低能X射线产生的脉冲信号时 伴随着有高能射线产生特大的脉冲信号 就可能使放大器获得比正常幅度大上几百倍的输入脉冲 其结果使放大器在某级或几级中使工作点远离线性区 并使有的器件饱和 有的器件截止 放大器在一段时间内不能恢复正常工作 从而使测量产生误差 过载原因 引起过载的原因主要与放大器的耦合电容充放电有关 抗过载性能可用 过载恢复时间 来表示 其定义为 在给定过载程度的条件下 如超过正常信号值的200倍到1000倍 放大器输出波形回到基线并保持在基线附近最大额定输出电压的一个带内 小信号增益已回到正常时所需要的时间 时间越短 性能越好 过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数 输入脉冲宽度有关 所以在一定的成形时间常数下 规定过载脉冲幅度为最大线性输入幅度的多少倍来衡量 过载恢复时间则以不过载时的脉宽的多少倍来衡量 计数率过载特性 在能谱测量中可以发现 当信号脉冲的计数率从小到大变化时 所测得的能谱也会发生变化 计数率增高会引起基线涨落和偏移 造成谱线展宽和位移 当计数率很低时 随着计数率的改变 能谱变化很小 可以忽略 当计数率越大时 谱线发生的变化就愈严重 在高计数率条件下 由于信号堆积造成了谱线严重的畸变 反映测量结果中 谱峰展宽 峰的位置发生偏移 甚至出现假峰 在放大器中 由于计数率过高引起的脉冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载 定义放大器的最高计数率为使谱线峰位移动1 位置时的计数率 计数率过载性能改善 在放大器内部加入适当地滤波成形电路如微分电路可以使输出脉冲变窄 极零相消电路可以消除脉冲的下冲 为克服高技术率引起的能谱畸变 谱仪放大器中引入了基线恢复电路和堆积拒绝电路 放大器的上升时间 探测器输出的信号通常有快的前沿和缓慢下降的后沿 上升时间主要对信号的前沿而言的 放大器的上升时间过大 会使输入信号产生畸变 结果信号幅度变小了 放大器的上升时间非常小 则使电路变得很复杂 同时增加了电路本身的噪声 放大器输出信号的形状 取决于成形滤波电路 所以放大节上升时间必须比成形滤波电路的上升时间要小得多 上升时间和频带的关系为 快的上升时间相应有宽的频带 采用负反馈使提高放大节上升时间很有效的方法 当输出端分布电容很大时 由于输出端分部电容不参加负反馈 电压负反馈只能降低阻抗 不能减小输出端分部电容这时上升时间为 为输出阻抗 设放大节上升时间为滤波成形电路的上升时间 一般最小为几百ns 故要求小于100ns 当有n个放大节时 放大器上升时间和各放大节上升时间的关系如下 当每一节上升时间相同时 则当时 当n 5时 每一个放大节的上升时间应小于45ns 举例 输入阻抗和输出阻抗 对于放大器输入阻抗大小的要求 取决于信号源的内阻大小 而放大器的输出阻抗则取决于后续电路的要求 通产放大器输出阻抗小一些好 以便能适应在不同情况下工作 为与输出电缆匹配使用 输出阻抗一般取50欧姆左右 基本放大节 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 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振荡 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 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 1ms 如果谱仪放大器由几节组成 则每节上升时间应小于 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 FH1002A谱仪放大器输入节 上图为谱仪放大器输入节简化电路 它是一个差分 共基 共集组态并联负反馈放大单元 第一级采用差分放大 有利于抑制干扰 而在FH1002A的其它节中 第一级用共射放大器代替差分放大器 第一级采用差分放大器另一个好处可以方便进行极性转换 开关K2可控制输入信号加入到同相端或反相端 由此来完成正负极性转换 第二级采用共基电路是为了减小第一级输入端由于密勒效应引起的输入电容增加 是提高频带的一个措施 第三级为一互补式射随器 有较大动态输出范围 第二级的集电极负载采用了第三级输出端的自举正反馈 以提高其负载阻抗 增加开环增益 此放大节开环增益在1000倍以上 闭环增益为7倍 对输入输出放大节的特殊要求 通常输入放大节要适应输入极性的变化和阻抗匹配的要求 还要考虑过载特性和低噪声 由于这些性能不能通过负反馈的方法来解决 因此 还必须附加一些电路 输出放大节由于信号幅度范围大 要求有较大的线性范围 此外 还有考虑输出阻抗和匹配 在谱仪放大器中 一般有几节都是相同结构和形式的放大节 对不同的要求可以在电路上采取一些措施 FH1002A谱仪放大器原理图 其原理图共有5个放大节组成 包括有下列几部分 输入节 包括极性转换 极零相消电路 放大节 增益可粗调 积分电路 二次有源积分和二次无源积分 因而它是一个准高