基线恢复器-开关型基线恢复器课件

1、谱仪放大器中的基线恢复器 开关型基线恢复器电路 专业：核技术及应用 学号：2007020516 试讲人：张子良参考资料核辐射探测器与核电子学 成都理工大学 赖万昌编著核电子学 原子能出版社 王经瑾等编著模拟电子技术基础 高等教育出版社 康华光编著放大器常用类型：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

2、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：放大器在测量系统中的位置 前放 放大器 探测器分析测量仪器高压辐射源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。 放大器基本参量增益及稳定性线性

3、噪声及信号噪声比幅度过载特性计数率过载特性上升时间输入阻抗和输出阻抗 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。 放大器增益稳定性 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

4、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。 back积分非线性（INL）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。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

5、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。 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。 back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

6、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。 back放大

7、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。 基本放大节定义：一个谱仪放大器

8、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

9、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510倍，稳定性优于0.1%。 FH1002A谱仪放大器输入节工作原理 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

10、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米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。 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）。 因而它是一个准高斯型滤波电路。图中类似于上图中的放大节，差别在于输入级采用共射放大器而不是

11、差分放大器；最后三节直流耦合，再用直流负反馈来稳定其工作点；图中用来选择输入电阻，分别为50W和560.2W（正输入时为940W）；为极性选择开关。用作微分时间常数选择，进行极零相消调节，用作放大倍数粗调，为放大倍数粗调，用作积分时间选择，放大器全部元件组装在一个双插宽插件上。注：1）与各分七档，图中仅画出时间常数最小的两档； 2）与同调（增益粗调）； 3）为增益细调电位器。几种时变和非线性电路 基线恢复器逻辑展宽器模拟展宽器线性门我们都知道，滤波器既具有一定的频率响应，就必然具有一定的冲击响应。因而在时域里，滤波器能使输出信号有一定的波形，这个称为信号的成形。核能谱测量的要求：成行电路具有一

12、定的频率响应和冲击响应，幅度信息可能发生畸变，从而使能量分辨率变坏。尾部：系统中存在隔直流电路等大时间常数电路时，冲击响应具有缓慢的恢复。尾部堆积会引起明显的基线偏移。那么基线基线恢复器就是消除基线偏移和涨落，改善能量分辨率基线恢复原理 基线偏移现象堆积存在使信号的基线发生涨落无尾堆积的系列脉冲通过CR网络时 由于电容器上电荷在放电时间内，未能把充电的电荷放光，那么在下一个脉冲到达时，电容器上的剩余电荷将引起这个新出现脉冲的基线偏移。结果使能谱峰位移动及能量分辨率变坏，在高计数率时尤为突出脉冲宽度越窄引起的基线偏移也越小，微分电路可以明显改善基线的偏移。基线恢复原理 基线恢复原理 设想有一种元

13、件或电路，能跟踪基线的变化，在信号到达之前，随时随地记录当前的基线电平，一旦信号到达，它能完成该信号（包括基线电平）减去信号到达前瞬间的基线电平的功能，从而得到真正的信号电平，这就是基线恢复器的基本原理。理想基线恢复器 电容作为基线电平记忆元件，信号未到达时，开关S闭合，等于基线电平 。一旦信号加入，信号通过控制器使S打开，因为 为基线电平， 为信号，则 实际上这种理想基线恢复电路是很难实现的，通常采用一些较简单办法来近似模拟这一理想系统，其基本原则是：信号出现之前电容能尽可能跟踪基线电平；当信号一出现，保持不变。 backCD基线恢复器最简单的基线恢复器是由电容和二极管构成，二极管D近似起到

14、开关S的作用，D的导通或截止取决于V2 的正或负。此电路对于单极性正输入信号，其基线电平为负值，具有一定基线恢复功能，它使二极管D起到开关的作用，对于负信号，就起不到基线恢复作用。 实际上二极管D不是理想开关，导通时存在一定正向电阻，而截止时存在有限的阻抗值，为了进一步减小正向电阻，可采用如图所示的有源CD基线恢复器。把二极管作为运算放大器反馈元件，使D的等效正向电阻为 ，而反向电阻仍为 。 backCDD基线恢复器CD基线恢复器的缺点： 它只适应单极性信号，若信号存在下冲，下冲过后基线恢复器的速度很慢（以 时间常数恢复）； 基线迅速上升时，（即基线变化速率较大时）由于 时间常数不是十分小，因

15、而C上电压跟不上基线变化，造成在一段时间内输出电压 还会叠加上一定基线电平，因而在基线变化速率不大时才能比较好地发挥作用。 无源CDD恢复电路无源CDD基线恢复电路： 针对CD基线恢复器的只适应单极性缺点，提出了CDD基线恢复器（又称罗宾逊基线恢复器），其原理见图。V1=Vs+VbV2=V1-Vc当 Vc=Vb ，_ V2=Vs 电路工作原理在 时， 、 均匀导通，并平均地分别流过I2 电流，流过C的电流为0，Vc保持不变。一旦输 入端基线发生变动，例如Vb上升，就会使V2 上升，导致 D1 截止，输入端对C充电，充电电流为I2 ，Vc的上升速率为I2/C ，充电到Vc =Vb为止。 基线被记

16、忆在电容器C上面。反之 V1 的基线下降，引起V2 下降，导致 D2 截止，电流源对电容器C以I2 大小的电流进行反向充电，也就是电容器C向输入端放电，放电速率也为I2 /C ，直到C上电压Vc =Vb 的基线电平相等时为止。因此无论的基线向任何方向变动，经过 时间，就可使输出电平为零电路工作原理它与理想的基线恢复器差别在于:记忆住基线电平所需时间不是零而时间 。对于信号（例如是正信号），在信号持续期间内，对电容器C也要进行充电，在电容器上建立电压为 DV=TwI2/C ，其中 为信号宽度。这与理想基线恢复器也存在一定差别（理想情况下），输出信号平顶有一定下降。信号一结束，在 时间内将充在电容

17、上的电荷放掉。输出端恢复到零电平。波形分析上图为在基线电平缓慢变化和快速变化两种情况下V1、Vc和V2上波形示意图。 从此图中可以看出，基线电平缓慢变化时，电容器C上电压基本上跟踪着基线电平变化，因而输出端V2(t)基线保持在零电平，而信号平顶有Vc的下降，信号结束后拖有宽度为Tw的反向尾部； 但是如果基线电平突变时，对应在突变处会出现一个正或负的脉冲，只要基线电平的变化速度dVb/dt 1，以加大在恢复时间内流过电容器C的电流。在有信号时以I1充电，信号消失后以（K1）I2/C的放电速度恢复到原来的基线，这样可以使在信号间隔接近它的宽度时，也不会发生基线的偏移。由于电路的不对称性，它只适用于一种极性的输入信号，输入信号还要通过极零相消电路消除信号的反向下冲，否则由于反向下冲的存在，它可能产生假脉冲而恢复到原来基线的时间也较长。 back开关型基线恢复器 其原理如右图所示。信号未加入时，S闭合，V1基线慢变化对C充电，充电电流为I，速度为I/C，取I足够大值，使C上电压能来得及跟上V1基线慢的变化。一旦信号输入，触发控制器，使S断开，充电电流为I1，取I1I，因此在信号持续时间Tw内C上电压变化甚小，不产生幅度损失。一旦信号结束，S又闭合，在信号持续时间内电荷迅速泄放