脉冲放大器(主放大器)

脉冲(màichōng)放大器

（主放大器）第一页，共六十七页。整理课件探测器分析测量设备高压前放主放辐射源主放大器又称脉冲放大器谱仪放大器（核辐射能量分析(fēnxī)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）

第二页，共六十七页。整理课件堆积信号很难进行放大，因为信号很容易使放大器阻塞(zǔsè)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

vo(t)

tvo(t)

tC

Rv(t)ttv(t)电荷灵敏前放的输出(shūchū)信号第三页，共六十七页。整理课件放大器的输入信号（即前置放大器的输出(shūchū)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(qùchú)下冲，极零相消第四页，共六十七页。整理课件谱仪放大器的功能(gōngnéng)主要功能是放大和成形。放大：将前置放大器的输出信号(xìnhào)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。第五页，共六十七页。整理课件

定义：一个谱仪放大器一般(yībān)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。谱仪放大(fàngdà)器的放大(fàngdà)环节

放大(fàngdà)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。第六页，共六十七页。整理课件运算放大器可以由分立元件组成，随着集成电路技术(jìshù)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。第七页，共六十七页。整理课件粗调细调第八页，共六十七页。整理课件核电子学中对放大(fàngdà)节电路的要求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(shàngshēng)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(xiàngwèi)补偿电路第九页，共六十七页。整理课件集成运放(yùnfànɡ)放大节举例（一）退耦电路输出(shūchū)限幅第十页，共六十七页。整理课件集成(jíchénɡ)运放放大节举例（二）相位补偿匹配(pǐpèi)电阻T1、T2为输出级提供正负电源第十一页，共六十七页。整理课件集成(jíchénɡ)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(xiàngwèi)补偿第十二页，共六十七页。整理课件谱仪放大器的滤波(lǜbō)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。主要任务(rènwu)：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，使系统信噪比最佳第十三页，共六十七页。整理课件

成形电路的要求(yāoqiú)

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(shōují)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。第十四页，共六十七页。整理课件理论分析表明，当电荷灵敏前置(qiánzhì)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(diànhè)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。第十五页，共六十七页。整理课件脉冲(màichōng)成形电路简介

无源(wúyuán)阻容滤波成形

有源滤波成形

第十六页，共六十七页。整理课件无源阻容滤波(lǜbō)成形CR-(RC)m滤波(lǜbō)成形电路

R1=R2=….=Rm+1=R，C1=C2=….=Cm+1=C

起隔离作用，减小滤波成形电路之间的相互影响最佳滤波(lǜbō)原理：RC时间常数相同时信噪比最佳。A=1A=1C1

R2

R3

Rm+1

vo(t)Q

vi(t)R1

C2

C3

Cm+1CfA=1第十七页，共六十七页。整理课件传递函数为

那么CR-(RC)m滤波(lǜbō)成形电路的输出信号为由拉氏变换(biànhuàn)第十八页，共六十七页。整理课件输入为阶跃电压时，输出为单极性脉冲；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。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(kěyǐ)满足实际的需要。第十九页，共六十七页。整理课件有源滤波(lǜbō)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(shūchūzǔkànɡ)为0开环增益无穷大且与频率无关。

第二十页，共六十七页。整理课件结论：将(a)与无源阻容滤波(lǜbō)成形电路相比，一次无源积分和一次有源积分，相当于两次无源积分。这样可以将积分电路接到滤波器各级之间的隔离放大器的反馈回路中做成有源滤波器。有源滤波(lǜbō)成形电路（一）第二十一页，共六十七页。整理课件，

H(s)有一对(yīduì)极点：有源滤波(lǜbō)成形电路（二）当=2时，p1,2为两相等(xiāngděng)负实数极点；当>2时，p1,2为两不相等负实数极点；相当于两次无源积分第二十二页，共六十七页。整理课件当<2时，p1,2为一对(yīduì)共轭复数极点p1,2=-aj0，则其中(qízhōng)

则通过拉氏变换得到(dédào)时域中的冲击响应为第二十三页，共六十七页。整理课件结论(jiélùn)：从图可以看出，h(t)的峰值两侧比较对称，后沿较快地恢复到基线。因此，在系统中设置复数极点比较容易获得前后较对称的准高斯波形。下面将指出，只要共轭复数极点和负实数极点配合得当，就可以获得无下冲的单极性波形。

两个相等的负实数极点(jídiǎn)的时域波形调解元件参数(cānshù)，可获得下冲很小、接近于单极性的冲击响应。第二十四页，共六十七页。整理课件脉冲成形电路-有源滤波(lǜbō)成形（作业）求证上面两级有源滤波器对单位阶跃信号，输出(shūchū)波形为无下冲的单极性脉冲。（与CR-(RC)4的输出波形相近，电路性能好于CR-(RC)3

）

结论：采用有共轭复数极点的有源滤波器同样可以获得(huòdé)准高斯波形且所用放大器数目较少。（CR-(RC)4有四个隔离放大器，而上图只用两个。）-

A+RC

Ri2(t)C

R

vi(t)+

A-C/2Cvo(t)

R

R

i1(t)第二十五页，共六十七页。整理课件有源滤波(lǜbō)成形电路（三）当R1=R2=R时，H(s)有一零点(línɡdiǎn)Z，两个极点：

结论：当C1C2时，p1,2为两个负实数(shìshù)极点。C1<C2时，p1,2为一对共轭复数极点。存在Z零点，可用此零点去抵消前放的极点或系统内的另一个极点，以达到输出单极性脉冲的目的。第二十六页，共六十七页。整理课件有源滤波(lǜbō)特点（重点）有源滤波与无源滤波相比，有下面(xiàmian)两个优点：可将滤波成形与放大环节结合起来，通过设置电路参数获得共轭极点，用较少的放大器同样可得到准高斯型脉冲；可获得零点，与前级电路的极点相消，可得到无下冲的单极性输出脉冲。

第二十七页，共六十七页。整理课件小结(xiǎojié)（重点）谱仪放大器的主要作用放大、成形谱仪放大器中放大节的特点快的上升时间、负反馈、相位补偿谱仪放大器中成形电路的作用对前放输出信号进行成形，产生满足后续电路的脉冲形状（准高斯）提高信噪比，并符合后续分析设备(shèbèi)对信号形状的要求。谱仪放大器中成形电路的典型电路要求会在复频域内对电路进行分析第二十八页，共六十七页。整理课件A=1A=1C1

R2

R3

Rm+1

vo(t)Q

vi(t)R1

C2

C3

Cm+1CfA=1第二十九页，共六十七页。整理课件一个指数衰减脉冲(màichōng)经过微分电路后的波形变化情况。

危害：可能引起(yǐnqǐ)放大器的阻塞。-

A+RfCf

C

vo(t)

RiD(t)vi(t)第三十页，共六十七页。整理课件极零相消技术(jìshù)常用的极零相消电路(diànlù)有下面几种：在几级串联系统中，常将前级传递函数的极（零）点与后级的零（极）点相消，这样可以达到改善输出波形(bōxínɡ)，去除下冲的目的。-

A+RfCf

R1

vo(t)

CR2

iD(t)vi(t)(a)-

A+R1

vo(t)

R2CiD(t)vi(t)(b)-

A+RfCf

iD(t)vi(t)(c)C

vo(t)R3

R1R2

RfCf

第三十一页，共六十七页。整理课件极零相消电路(diànlù)(一)输出依然为单极性脉冲，且衰减(shuāijiǎn)时间常数2<f。极零相消的调节范围为0R1C。1=f

-

A+RfCf

R1

vo(t)

CR2

iD(t)vi(t)(a)第三十二页，共六十七页。整理课件vi(t)f=RfCf

t

vo(t)2=R1R2/(R1+R2)C<ft

第三十三页，共六十七页。整理课件极零相消电路(diànlù)(二)如果满足f=2，输出依然为单极性脉冲，脉冲幅度比输入脉冲幅度有所下降，衰减(shuāijiǎn)时间常数1>f。极零相消的调节范围为0R2C。2=f

-

A+R1

vo(t)

R2CiD(t)vi(t)(b)RfCf

第三十四页，共六十七页。整理课件vi(t)

f=RfCf

t

vo(t)1=(R1+R2)C>f

t

第三十五页，共六十七页。整理课件-

A+RfCf

iD(t)vi(t)(c)C

vo(t)R3

R1R2

极零相消电路(diànlù)(三)-作业通常R1>>R3，可以近似认为B点电位VB=kVi是电位器上kR3分压，其中k为R3电阻(diànzǔ)的下半部分阻值占总阻值的比例。如何实现极零相消？调节范围有多大？(R1C)B第三十六页，共六十七页。整理课件极零相消电路(diànlù)总结

从信号成形方面来看，上面三种电路的输出均为单极性脉冲，输出指数衰减信号的时间常数不同，(a)(c)可使时间常数变小(biànxiǎo)，(b)则使时间常数变大。

(a)电路比较简单，极零相消的调节范围(0R1C)，没有(c)电路的宽(R1C

)。

第三十七页，共六十七页。整理课件包含(bāohán)极零相消的无源滤波成形电路如果(rúguǒ)1＝2＝，

A=1A=11C12

R23m级R24Ci

Ri

R1

R

C2

C2iD(t)第三十八页，共六十七页。整理课件放大节：前放输出的信号幅度得以放大，便于后续电路分析；滤波成形：前放输出的信号被成形为宽度较窄的准高斯(ɡāosī)形状，有利于高计数率下测量，符合后续分析设备的要求，且信噪比最佳。是不是放大电路(diànlù)和成形电路(diànlù)就可以构成一个高性能的谱仪放大器了呢？第三十九页，共六十七页。整理课件成形电路的信息(xìnxī)畸变Q/CQ/CQ/C

iD(t)1234

t

vc(t)1234

tv(t)1234

t

iD(t)C

vc(t)

iD(t)CR

v(t)

第四十页，共六十七页。整理课件弹道(dàndào)亏损（Ballisticdeficit）

探测器输出电流脉冲总有一定的宽度，在积分(jīfēn)型前放中，总有电阻R与C同时存在，那么在信号宽度内，电容C被信号充电的同时，又通过R放电，则充电能达到的幅度小于Q/C。这种幅度的亏损称之为弹道亏损。

iD(t)宽度不同（电荷收集时间涨落）幅度亏损不同相同的Q（E），由于电流持续时间不同，输出脉冲幅度不同，从而会使系统能量分辨率变坏。

分析表明【核电子学（上）】，输入电流脉冲的宽度越大，包括前放和主放在内的成形电路的冲击响应的顶部越尖，弹道亏损越大。但通常情况下，弹道亏损引起的畸变与探测器固有的分辨率和噪声相比可忽略。只有在大体积探测器中电荷收集时间涨落很大时，才有影响。

第四十一页，共六十七页。整理课件堆积(duījī)畸变峰堆积(duījī)尾堆积(duījī)

核电子学中一种重要的波形畸变，与输出脉冲波形（宽度）及计数率有关。iD

0vo

tWvo

tW

t

第四十二页，共六十七页。整理课件

设tW为电压脉冲的峰部持续时间，也就是在tW内是电压脉冲的峰部。峰堆积：如果在测量时刻t，除了被测信号外，存在一个或一个以上的堆积信号的峰部。峰堆积会使波形有较大的畸变，在实际电路中采用堆积判弃电路舍弃堆积信号。尾堆积：如果在测量时刻t，除了被测信号外，出现(chūxiàn)了一个或一个以上堆积信号的尾部。尾堆积对波形的影响较小，但大量尾部堆积会使被测信号基线发生变化，那么在实际应用中采用基线恢复器使基线变化减小。

第四十三页，共六十七页。整理课件

高性能的谱仪放大器除了包含(bāohán)放大和成形环节之外，为了减小高计数率条件下成形电路带来的信息畸变，还必须包含基线恢复器和堆积判弃电路。第四十四页，共六十七页。整理课件谱仪放大器原理(yuánlǐ)方框图极性转换电路极零相消微分电路积分滤波放大电路基线恢复电路输出电路输出电路第二次微分电路堆积判弃电路双极性输出单极性输出堆积占用输入第四十五页，共六十七页。整理课件谱仪放大器电路(diànlù)举例

IB1门CB

IB2高中低速率-+A5-+A7-+Co3Co2-+-+A1-+A2-+A3-+A4+-Co1-+A6①②R1③④⑤1次微分1次积分R3有源积分R4

R5单极性输出Z0Z0双极性输出比较器直流反馈延迟线Z

ZGGG增益细调0.51.5C1KR2C2C5C42次微分

10

比较器

高+0.1V中低直流调节

电平-0.1V（噪声）

基线恢复器（BLR）基线甄别器

开关基线稳定器（BLS）

-+第四十六页，共六十七页。整理课件第四十七页，共六十七页。整理课件谱仪放大器的主要(zhǔyào)技术指标增益及其稳定性线性噪声幅度过载特性计数率过载特性上升时间输入阻抗(shūrùzǔkànɡ)和输出阻抗第四十八页，共六十七页。整理课件（1）增益(zēngyì)及其稳定性

前放输出脉冲幅度在mV-V量级，幅度分析器最大幅度为5-10V，则放大器的增益应当为几倍至几千倍，应为可调的。

放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时间内（如八小时）由于环境温度的变化、电源电压变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度。目前高分辨率谱仪中的放大倍数的温度系数A/A/°C在0.01%左右，电源电压变化1%时，放大倍数变化小于0.05%。提高增益稳定性最有效的方法是深度负反馈，同时(tóngshí)为提高增益的稳定性，需要保证电网电压不变（加稳压电源），注意动力电和仪器电的分离；保证温度变化小，使用中注意散热。第四十九页，共六十七页。整理课件（2）线性

谱仪放大器必须具有很好的线性，即要保证输出信号与输入信号幅度的线性良好(liánghǎo)，是谱仪放大器的一个重要指标。一般为万分之几千分之几合理选择工作(gōngzuò)点；采用负反馈。积分(jīfēn)非线性：voVomaxvo2vo1

Vomax=vo2-vo1

vi第五十页，共六十七页。整理课件（3）噪声(zàoshēng)

谱仪放大器是一种电压放大器，要求放大器输入端自身的噪声比前放输出端噪声小一个量级，则放大器噪声主要来源于前置放大器。成形(chénɡxínɡ)电路限制频带，抑制噪声，最佳滤波原理给出最佳成形(chénɡxínɡ)时间，与探测器种类有关，一般时间常数选择在不显著增加噪声的最窄处。第五十一页，共六十七页。整理课件放大器发生过载要过相当长的时间才能恢复，所以极零相消一定要调整好，即不能过补偿(bǔcháng)，也不能欠补偿(bǔcháng)。同时，隔直流电路中的大时间常数也会使信号产生大时间常数的下冲。因此，谱仪放大器中用直流耦合及反馈。（4）幅度(fúdù)过载特性也称放大器的阻塞(zǔsè)。第五十二页，共六十七页。整理课件

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(guòzài)。

信号越宽，堆积可能性越大。堆积的结果：谱峰展宽，峰的位置偏移，甚至出现假峰。高计数率下，输出脉冲尽可能窄，极零相消调节好，并使用基线恢复电路和堆积判弃电路。

（5）计数率过载(guòzài)特性第五十三页，共六十七页。整理课件

放大器输出信号的形状取决于成形滤波电路，因此放大节上升时间必须比成形滤波电路上升时间（一般最小为几百ns）小得多。通常要求(yāoqiú)每个放大节的上升时间小于几十ns.通常采用负反馈提高放大节上升时间。（6）上升时间第五十四页，共六十七页。整理课件

有利于信号(xìnhào)的传输阻抗匹配（7）输入阻抗(shūrùzǔkànɡ)和输出阻抗第五十五页，共六十七页。整理课件谱仪放大器重点(zhòngdiǎn)脉冲放大器的主要作用；谱仪放大器的典型输入输出脉冲波形；谱仪放大(fàngdà)器放大(fàngdà)节特点；成形电路的作用及典型电路；极零相消概念和实现方法；堆积概念和种类。第五十六页，共六十七页。整理课件探测器分析测量设备高压前放主放辐射源主放大器又称脉冲放大器谱仪放大器（核辐射能量分析(fēnxī)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）

第五十七页，共六十七页。整理课件快放大器是指上升时间很小或者说频带很宽的放大器上升时间一般在纳秒量级，相当于带宽在300MHZ以上，增益在几倍到几十倍。实现(shíxiàn)快放大器应该注意：放大元件（如三极管、运放）应该有很高的截止频率电路的时间常数小，包括负载RC和分布RC注意防止振荡（加高频补偿电路）和寄生反馈快放大器分为快电流放大和快电压放大。快放大器第五十八页，共六十七页。整理课件电流放大：由于探测器形成的电流时间远比电荷在输出回路积分电容上形成的电压时间要小得多，即形成的电流脉冲宽度很窄，因而可以克服高计数率而引起的信号堆积现象，所以电流放大器一定是快放大器。电压放大：如果输入阻抗Ri

很大，由于分布电容的影响，探测器输出的信号到达电压放大器输入端时，脉冲信号变得很慢，放大器响应速度再快也无现实