(第三章)谱仪放大器1.ppt

核电子学 杨磊Tel mail yangleis 第三章放大器 1概述 2谱仪放大器的放大节 3谱仪放大器中的滤波成形 4通用谱仪放大器 5高能量分辨率高计数率谱仪放大器 6快放大器 7弱电流放大器 一 放大器在核测量系统中的作用 在测量系统中的具体位置 探测器 分析测量仪器 高压 辐射源 前放 放大器 单道脉冲幅度分析器 多道脉冲幅度分析器等 1概述 探头 对信号进一步放大和成形 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 探头实例 1概述 1概述 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 二 谱仪放大器的框图介绍 1概述 二 谱仪放大器的框图介绍 1概述 1 放大器的放大倍数 增益 及稳定性 放大器放大倍数 增益 定义当输入阶跃电压或上升时间足够小 足够宽的矩形脉冲时 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 三 放大器的基本参数及测量方法 1概述 被测放大器 精密脉冲发生器 脉冲高度表 测量放大器增益实验装置 示波器 放大器放大倍数 增益 的稳定性 放大器放大倍数的稳定性主要取决于环境温度和电网电压变化的影响 放大器放大倍数的稳定性 高分辨谱仪系统要求放大倍数的温度系数 环境温度变化 在0 01 左右 电网电压变化 当电源变化1 时 放大倍数变化应小于0 05 温度变化对放大器静态工作点的影响 一 温度对VBE的影响 T 载流子的运动加剧 对相同的IB VBE 2 5mv IC Q点上移 二 温度对ICBO的影响 ICBO是基区和集电区的少子形成的 温度每升高10 ICBO大约增大1倍 ICBO T ICBO T0 2 又 ICEO 1 ICBO T ICEO ICBO硅 ICBO锗 硅管工作比锗管稳定 因此 在高温场合 硅管应用广泛 三 温度对 值的影响 扩散与复合的比例 输出特性的间距 温度每升高1 增大0 5 1 T 0 5 1 固定偏置电路的Q点是不稳定的 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区 从而导致失真 为此 需要改进偏置电路 当温度升高 IC Q 增加时 能够自动减少IB Q 从而抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 分压式偏置稳定电路 措施 针对ICBO的影响 可以设法使T IB 针对VBE的影响 可以设法使T VE 电路形式 即VB由RB2的分压确定 与管子参数基本无关 从而保证了基极对地有一个稳定的电压 此时要求I2 IB即RB1 RB2较小 基本特点 利用RB1和RB2组成的分压器固定基极电位使IREF I2 IB 抑制IC的变化 基本特点 稳定过程 电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 利用RE将IE的变化转化为电压的变化 2 放大器的线性 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 其斜率为其放大倍数 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 积分非线性 INL 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 用电桥法测量放大器的积分非线性 实验测量电路图 微分非线性 DNL 定义放大器的微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 实际测量到的斜率或放大倍数 理想曲线的斜率或放大倍数 非线性产生原因与改善 vo 可输出的最大不失真信号 1 合理选择工作点 晶体管的非线性 静态工作点的选择 非线性产生的原因分析 2 静态工作点选择过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 非线性产生原因与改善 非线性产生的原因分析 非线性产生原因与改善 非线性产生的原因分析 放大电路产生饱和失真 3 静态工作点选择过高 信号进入截止区 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 可使放大器非线性减为原来的 3 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入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 4 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 引起过载的脉冲成为过载脉冲 这一段不能恢复正常工作的时间成为放大器的死时间 deadtime 举例 在测量同位素的低能X射线产生的脉冲信号时 伴随着有高能伽马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 4 放大器的幅度过载特性 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得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 5 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 5 计数率过载特性 6 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 放大器输出信号的性能改装 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 采用负反馈是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 举例 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 所以要求 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 7 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 通常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 2谱仪放大器的放大节 放大节的结构 放大节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 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 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 放大节在频带上的要求 内部参数不会影响滤波器的时间参数 理想运放的特性 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 理想运放的条件 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 一 在分析信号运算电路时对运放的处理 二 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚开路放大倍数与负载无关 可以分开分析 运算放大器组成的基本电路 一 比例运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 i1 iF 1 闭环放大倍数 虚短路 1 反相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 虚开路 2 电路的输入电阻 Ri R1 RP R1 RF uo 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大R2 而大电阻的精度差 因此 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 4 共模电压 输入电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 4 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 二 同相比例运算电路 R2 R1 RP ui uo u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚开路 二 同相比例运算电路 RF R1 RP ui uo u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚开路 u u 同相比例电路的特点 3 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 由此可见 同相比反相的信噪比要高 图3 2 3抑制共模干扰的输入放大节的接法示意图 共模干扰抑制 差分输入法 增益的调节方法 粗调与细调 二 分立元件构成的放大节 实际放大节电路的分析 结构 T1 T2组成差分放大器作为输入级 提高电路的抗过载性能 T1管的基极加输入信号 T2管的基极加反馈信号 T3管组成单管放大器作为输出 基本差分 动 放大器 1 结构 该电路采用两个相同参数的BJT 其外围电路完全相同 即电路两边完全对称 2 抑制零点漂移的原理 Vo VC1 VC2 0 当vi1 vi2 0时 当温度变化时 VC1 VC2 设T Ic1 Ic2 Vc1 Vc2 Vo Vc1 Vc2 0 3 静态工作点的计算 4 电路特性的分析 两个基本概念 共模信号和差模信号 1 共模信号 大小相等 极性相同的按共同模式变化的信号 主要指不希望放大的漂移信号或干扰信号 用vic 输入共模信号 voc 输出共模信号 表示 2 差模信号 大小相等 极性相反的信号 主要指希望放大的有用信号 用vid 输入差模信号 vod 输出差模信号 表示 实际上 对于任何输入信号和输出信号 都是差模信号和共模信号的合成 1 差模放大倍数 双端输入 双端输出 单管共发射极基本放大器 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 实际放大节电路的分析 T1 T2组成差分放大器作为输入级 提高电路的抗过载性能 当输入很大的正向脉冲时 T2管截止 输入电阻 充放电时间常数 当输入很大的负向脉冲时 T1管截止 充放电时间常数 实际放大节电路的分析 实际放大节电路的分析 交流反馈 电压串联负反馈 反馈系数 反馈后的放大倍数 AO足够大时 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