谱仪放大器3学习.pptx

第1页/共67页第2页/共67页基线恢复原理设想有一种元件或电路，能跟踪基线的变化，在设想有一种元件或电路，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，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）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到真正的信号电平，这就是基线恢复器的基本原理。理。第3页/共67页理想基线恢复器电电容容作作为为基基线线电电平平记记忆忆元元件件，信信号号未未到到达达时时，开开关关S S闭闭合合，等等于于基基线线电电平平 。一一旦旦信信号号加加入入，信信号号通通过控制器使过控制器使S S打开，因为：打开，因为：为为基基线线电电平平，为信号，则为信号，则 实实际际上上这这种种理理想想基基线线恢恢复复电电路路是是很很难难实实现现的的，通通常常采采用用一一些些较较简简单单办办法法来来近近似似模模拟拟这这一一理理想想系系统统，其其基基本本原原则则是是：信信号号出出现现之之前前电电容容能能尽尽可可能能跟跟踪踪基基线线电电平平；当当信信号号一一出出现现，保持不变。保持不变。第4页/共67页CD基线恢复器n最简单的基线恢复器是由电最简单的基线恢复器是由电容和二极管构成，二极管容和二极管构成，二极管D近近似起到开关似起到开关S的作用，的作用，D的导的导通或截止取决于通或截止取决于V2 的正或负。的正或负。n此电路对于单极性正输入信此电路对于单极性正输入信号，其基线电平为负值，具号，其基线电平为负值，具有一定基线恢复功能，它使有一定基线恢复功能，它使二极管二极管D起到开关的作用，对起到开关的作用，对于负信号，就起不到基线恢于负信号，就起不到基线恢复作用。复作用。n实际上二极管实际上二极管D不是理想开不是理想开关，导通时存在一定正向电关，导通时存在一定正向电阻，而截止时存在有限的阻阻，而截止时存在有限的阻抗值。抗值。V2V1第5页/共67页n为了进一步减小正向电阻，可采用如图所示的有源为了进一步减小正向电阻，可采用如图所示的有源CDCD基线恢复器。把二极管作为运算放大器反馈元件，使基线恢复器。把二极管作为运算放大器反馈元件，使D D的等效正向电阻为的等效正向电阻为 ，而反向电阻仍为，而反向电阻仍为 。CD基线恢复器第6页/共67页CDCD基线恢复器的缺点：基线恢复器的缺点：它它只只适适应应单单极极性性信信号号，若若信信号号存存在在下下冲冲，下下冲冲过过后后基基线线恢恢复复器器的的速速度度很很慢慢（以以 时时间间常常数数恢恢复复）；基基线线迅迅速速上上升升时时，（即即基基线线变变化化速速率率较较大大时时）由由于于 时时间间常常数数不不是是十十分分小小，因因而而C C上上电电压压跟跟不不上上基基线线变变化化，造造成成在在一一段段时时间间内内输输出出电电压压 还还会会叠叠加加上上一一定定基基线线电电平平，因因而而在在基基线线变变化化速速率率不不大大时时才才能比较好地发挥作用。能比较好地发挥作用。CD基线恢复器第7页/共67页无源CDD恢复电路n无源无源CDDCDD基线恢复电路：基线恢复电路：针对针对CDCD基线恢复器的基线恢复器的只适应单极性缺点，提出只适应单极性缺点，提出了了CDDCDD基线恢复器（又称罗基线恢复器（又称罗宾逊基线恢复器）其原理宾逊基线恢复器）其原理如图。如图。V1=Vs+VbV2=V1-Vc当 Vc=Vb，V2=Vs 恒流源恒流源第8页/共67页无源CDD恢复电路在在 时，时，、均匀导通，并平均均匀导通，并平均地分别流过地分别流过 I2 电流，流过电流，流过 C 的电流的电流为为0，Vc保持不变。保持不变。一旦输一旦输 入端基线发生变动，例如入端基线发生变动，例如Vb上上升，就会使升，就会使V2 上升，导致上升，导致 D1 截止，截止，输入端对输入端对C充电，充电电流为充电，充电电流为I2，Vc的的上升速率为上升速率为I2 /C，充电到，充电到Vc=Vb为止。为止。基线被记忆在电容器基线被记忆在电容器C上面。上面。反之反之 V1 的基线下降，引起的基线下降，引起V2 下降，导下降，导致致 D2 截止，电流源对电容器截止，电流源对电容器C以以 I2 大小的电流进行反向充电，也就是电容大小的电流进行反向充电，也就是电容器器C向输入端放电，放电速率也为向输入端放电，放电速率也为I2 /C，直到，直到C上电压上电压Vc=Vb 的基线电平相的基线电平相等时为止。等时为止。因此无论的基线向任何方向变动，经过因此无论的基线向任何方向变动，经过 时间，就可使输出电平时间，就可使输出电平为零为零第9页/共67页它与理想的基线恢复器差别在于它与理想的基线恢复器差别在于:v记忆住基线电平所需时间不是零而时间记忆住基线电平所需时间不是零而时间 。v对于信号（例如是正信号），在信号持续期间内，对于信号（例如是正信号），在信号持续期间内，对电容器对电容器C也要进行充电，在电容器上建立电压为也要进行充电，在电容器上建立电压为 V=TwI2 /C，其中，其中 为信号宽度。这与理想基线为信号宽度。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，在平顶有一定下降。信号一结束，在 时间内将充在时间内将充在电容上的电荷放掉。输出端恢复到零电平。电容上的电荷放掉。输出端恢复到零电平。无源CDD恢复电路第10页/共67页无源CDD恢复电路下图为在基线下图为在基线电平缓慢变化电平缓慢变化和和快速变化快速变化两种两种情况下情况下V1、Vc 和和 V2 上波形示意图。上波形示意图。从此图中可以看出，基线电平缓慢变化时，从此图中可以看出，基线电平缓慢变化时，电容器电容器C上电压基本上跟踪着基线电平变化，因上电压基本上跟踪着基线电平变化，因而输出端而输出端 V2(t)基线保持在零电平，而信号平顶基线保持在零电平，而信号平顶有有Vc 的下降，信号结束后拖有宽度为的下降，信号结束后拖有宽度为Tw 的反的反向尾部；向尾部；但是如果基线电平突变时，对应在突变处会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出现一个正或负的脉冲，只要基线电平的变化速度度dVb/dt 1，以加大在恢复时间内流过电，以加大在恢复时间内流过电容器容器C的电流。在有信号时以的电流。在有信号时以I1充电，信号充电，信号消失后以（消失后以（K1）I2/C 的放电速度恢复到原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，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，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它可能产生假脉冲而恢复到原来基线的时间也较长。也较长。CDD基线恢复实际电路第15页/共67页开关型基线恢复器其其原原理理如如右右图图所所示示。信信号号未未加加入入时时，S闭闭合合，V1基基线线慢慢变变化化对对C充充电电，充充电电电电流流为为I，速速度度为为I/C，取取I足足够够大大值值，使使C上上电电压压能能来来得得及及跟跟上上V1基基线线慢慢的的变变化化。一一旦旦信信号号输输入入，触触发发控控制制器器，使使S断断开开，充充电电电电流流为为I1，取取I1tW-tM:两个信号幅度都无畸变；utMT0:两个信号发生前沿堆积，幅度都畸变了；utW-tMTtM:发生后沿堆积，后一个信号幅度畸变了。第28页/共67页二、单元功能电路1、线性门组成堆积拒绝电路的单元电路第29页/共67页u线线性性门门是是传传输输信信号号的的一一个个门门电电路路，其其作作用用在在控控制制信信号号（门门控控信信号号）作作用用下下，可可以以有有两两个个状状态态。在在门门控控信信号号的的开开门门电电平平作作用用下下，线线性性门门开开放放，脉脉冲冲信信号号以以最最小小畸畸变变通通过过线线性性门门，传传输输系系数数为为一一常常数数，通通常常取取1 1。在在门门控控信信号号关关门门电电平平作作用用下下，线线性性门门关关闭闭，脉脉冲冲信信号号无无法法通通过过线线性性门门，即它的传输系数为即它的传输系数为0 0。u线线性性门门可可以以用用来来对对信信号号作作时时间间上上的的筛筛选选，其其基基本本示示意意图图如下图所示：如下图所示：第30页/共67页线性门电路分为常闭式和常开式两种：线性门电路分为常闭式和常开式两种：常闭式为平时输入端信号不能传送到输出端。一旦有门控信号加入时，输入信号线性地被传送到输出端；常开式为平时可以将输入信号线性地传送到输出端，一旦信号传送之后门控信号加入，关闭传送途径，待门控信号消失之后，门又开放，恢复到常态。常闭式常开式第31页/共67页电阻二极管线性门原理图电阻二极管线性门原理图，电阻二极管线性门原理图，n开开门门时时：开开关关S S断断开开（在在位位置置2 2），在在有有正正信信号号输输入入时时，二二极极管管D D截截止止，信信号号通通过过电电阻阻R R传传送送，图图中中R RL L为为负负载电阻，载电阻，n关关门门时时:开开关关S S闭闭合合（在在位位置置1 1），电流源电流源I I的电流通过的电流通过D D，只要，只要 条件满足条件满足D D始终导通，输出端被钳始终导通，输出端被钳位在零电平附近。位在零电平附近。第32页/共67页p具体电路，具体电路，其中其中T1和和T2组组成一个电流开成一个电流开关，关，T3、T4为为开关控制电路。开关控制电路。第33页/共67页集成线性门电路CD4066第34页/共67页第35页/共67页逻辑展宽电路第36页/共67页逻辑展宽电路静静态态时时，V1V1为为高高电电平平，A A点点亦亦处处于于高高电电平平，电电容容器器C C被被充充到到高高电电平平，RSRS触触发发器器输输出出端端 为为低低电电平平。当当V1V1下下降降到到低低电电平平时时，A A点点亦亦下下降降到到低低电电平平，G G的的S S端端成成为为高高电电平平（即即M M输输出出端端），V2V2为为高高电电平平输输出出。输输入入信信号号结结束束后后，D D处处于于截截止止状状态态，电电流流源源对对电电容容C C充充电电，VaVa线线性性上上升升，一一直直到到A A点点电电压压达达到到M M（与与非非门门）的的门门槛槛电电平平时时，G G的的S S端端变变为为低低电电平平，此此时时G G才才从从0 0态态返返回回1 1态态。输输出出信信号号宽宽度度就就是是电电容容器器从从低低电电平平上上升升到到使使M M的的输输入入端端达达到到门门槛槛地地点点平平所所需需的的时时间间T T。假假如如在在电电容容器器未未被被充充电电到到使使G G翻翻转转时时有有第第二二个个信信号号到到达达，电电容容器器上上电电压压有有被被重重新新拉拉到到低低电电平平，在在此此信信号号结结束束之之后后电电流流源源又又重重新新给给电电容容充充电电，继继续续拉拉长长一一个个宽宽度度时时间间。（见见图图中中所所示示几几点点波波形形图图）此此电电路路展展宽宽时时间间T T可可通通过调节恒流源的电流来实现。过调节恒流源的电流来实现。第37页/共67页峰展宽电路n 在处理核信号过在处理核信号过程中时常需要把信程中时常需要把信号的号的幅度信息幅度信息保存保存起来以便在需要的起来以便在需要的时候提供使用。模时候提供使用。模拟展宽电路就可以拟展宽电路就可以把信号的幅度展宽把信号的幅度展宽一直到需要使用时一直到需要使用时为止，还可以在模为止，还可以在模拟信号幅度达到峰拟信号幅度达到峰值时给出峰值检测值时给出峰值检测信号。信号。第38页/共67页模拟展宽器的原理图n在在输输入入信信号号V1上上升升阶阶段段，输输出出信信号号Va 随随着着V1上上升升而而上上升升，一一直直跟跟随随到到的的V1 峰峰值值，此此后后Va 保保持持不不变变，保保持持一一定定时时间间之之后后才才迅迅速速返返回回到到零零，保保持持期期间间（展展宽宽）的的宽宽度可以加以控制度可以加以控制。第39页/共67页有源峰展宽器n在在V1V1信信号号上上升升时时，VfVf信信号号电电平平使使控控制制开开关关S S断断开开，电电容容上上电电压压VcVc通通过过二二极极管管D D充充电电跟跟随随V1V1上上升升，当当V1V1到到达达峰峰值值之之后后，D D截截止止，电电容容C C无无放放电电通通路路（图图中中放放大大器器A1A1和和A2A2均均有有很很高高输输入入阻阻抗抗），因因而而VcVc保保持持不不变变，V2V2也也保保持持不不变变。一一直直到到VfVf上上升升到到高高电电平平，开开关关S S闭闭合合，C C经经电电流流源源放放电电回回到到静静态态电电平平，放放大大器器A2A2起起到到与与负负载载电电路路之之间间隔隔离的作用。离的作用。第40页/共67页第41页/共67页堆积拒绝电路 堆积拒绝原则堆积拒绝电路原理死时间校正和允许最高计数率第42页/共67页堆积判弃原则对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积，通常是设法判别信号的时间间隔是否过小，堆积是否发生，然后将发生峰堆积的信号剔除，不予放大和记录，这样虽然会损失一定的计数，但可以校正，这种技术称为堆积拒绝（或称为堆积排除，堆积舍弃，反堆积）。对一个信号是否发生堆积要有一个判别的标准。以一个信号脉冲为观察脉冲，如果后一个脉冲峰部前沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的峰堆积称为前堆积，这时两个脉冲幅度都产生畸变，都应该舍去。如果前一个脉冲峰部后沿落在观察脉冲的达峰时间上产生的峰堆积称为后堆积，这样前一个脉冲信号幅度没有畸变，而观察脉冲幅度畸变了，对前一个脉冲应该分析，而观察脉冲应该舍去。当然这时观察脉冲峰部前沿在前一个脉冲达峰时间后面。第43页/共67页峰堆积后的输出波形第44页/共67页堆积拒绝电路原理框图第45页/共67页第46页/共67页从堆积判弃电路分析中知道在监察信号的时间T T内，如果再有信号输入都要被舍弃，因此监察时间就是堆积判弃电路所产生的死时间，这个死时间内不能记录输入信号。计时电路就不应把这个时间计入测量时间，而应从总的测量时间中扣除这个死时间得到活时间，由于测到的总计数除以活时间就是信号计数率，这种办法称为死时间校正。虽然堆积信号被舍弃，但其计数损失得到了校正。死时间校正和允许最高计数率T(死时间)监察时间第47页/共67页逻辑展宽电路对每一个信号都要给出持续时间为一个监察周期的信号输出，当在监察周期T T内又出现的信号可以再维持一个监察信号的宽度。输入信号的计数率增高到1/T1/T 时，监察周期的持续时间可以一直持续下去，即死时间也一直持续下去，使可以记录到的信号趋近于0 0。所以：对堆积判弃电路来执行堆积信号判别时，对输入的计数率有一定的要求。如果计数率过高，则输出计数率反而更小，所需要的测量时间更长。死时间校正和允许最高计数率T小，死时间小T 大，死时间大T太大，全为死时间第48页/共67页幅度拒绝方法：模拟方法第49页/共67页加入堆积拒绝电路后高计数率条件下能谱分辨率明显得到改善第50页/共67页快放大器快放大器概述快电流放大器快电压放大器 第51页/共67页概述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，带宽在300MHZ以上，增益在几倍到几十倍。实现快放大器应该注意：放大元件（如三极管、运放）应该有很高的截止频率 f =fT/A电路的时间常数小，包括负载RC和分布RC注意防止振荡和寄生反馈快放大器分为快电流放大和快电压放大。第52页/共67页概述电流放大：在小分辨时间，高计数率，快定时及时间甄别等系统中，快放大器往往是不可缺少的。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：一般来说，它的输入阻抗R Ri i 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意义了。当用特征阻抗为5050的电缆与电压放大器相连时，为使信号不失真，都用5050电阻并联电压放大器的输入端来实现与5050电缆相匹配，从而提高电压放大器的速度，使之也能成为放大快信号的放大电路。可见采取一定的措施后的电压放大器也可以成为快放大器。第53页/共67页并联负反馈快电流放大器第54页/共67页此电流放大器：可调电容C为一补偿电容，用来调节输出信号前沿特性。用这种组态的放大节，上升时间可达到1ns左右。n还有其它组态的并联负反馈快电流放大器，如共基共射组态，共射共基组态等。并联负反馈快电流放大器第55页/共67页电压负反馈快电压放大器第56页/共67页上图为一个二级电压串联负反馈放大节，负反馈通过RfRf在T1T1管射极获得。此放大器有较大的开环增益，其闭环增益为：l此放大节选择较高的截止频率的晶体管（1GHZ）可使增益为10倍时上升时间为1ns。l这类快放大器多采用串联反馈模式，以提高输入阻抗，使输入阻抗仅决定于输入端的无源电阻。因为传输快放大器的信号多采用同轴电缆，输入端需接有与电缆特性阻抗相等的匹配电阻，以防反射引起信号前沿振荡（一般匹配电阻为50），为了不使输入级的输入阻抗影响电缆匹配，多采用输入阻抗较高的输入级。电压负反馈快电压放大器第57页/共67页弱电流放大器 弱电流放大器概述电阻式弱电流放大器 第58页/共67页弱电流放大器概述在在放放射射性性强强度度测测量量中中，常常采采用用积积分分电电离离室室，它它的的输输出出电电流流与与射射线线的的强强度度成成正正比比，测测量量此此电电流流值值就就可可获获得得放放射射性性强强度度大大小小的的信信息息。在在剂剂量量仪仪器器和和同同位位素素应应用用技技术术中中放放射射性性强强度度测测量量是是经经常常被被采采用用的的方方法法。但但是是电电离离室室输输出出的的电电流流一一般般是是1010-7-71010-15-15安安培培量量级级的的慢慢变变化化电电流流（近近似似为为直直流流电电流流），测测量这样微弱的电流需采用弱电流放大器。量这样微弱的电流需采用弱电流放大器。例例如如电电离离室室输输出出电电流流，光光电电倍倍增增管管输输出出电电流流及及加加速速器器输输出出的的带带电电粒粒子子的的束束流流，其其电电流流一一般般在在1010-5-51010-15-15A A，甚甚至至更更小小一一些些地地微微弱弱电电流流。当当在在测测量量1010-9-9A A电电流流时时，通通常常用用的的磁磁电电式式电电流流计计就就十十分分困困难难。所所以以弱弱小小电电流流的的测测量量就就不不能能用用磁磁电电式式电电流流计计，必必须须用用高高输输入入阻阻抗抗的的特特殊殊器器件件如如静静电电计计管，场效应管管，场效应管等组成的弱电流放大的电路。等组成的弱电流放大的电路。第59页/共67页弱弱电电流流测测量量的的原原理理：使使弱弱电电流流在在一一个个高高电电阻阻上上产产生生可可观观的的压压降降，测测量量此此压压降降，可可得得知知电电流流的的大大小小，例例如如1010-9 9A A的的电电流流在在10109 9电电阻阻上上即即可可产产生生1 1伏伏的的压压降降。但但是是测测量量这这1 1伏伏的的压压降降并并不不容容易易，因因为为把把电电表表直直接接接接上上去去，如如果果电电表表的的输输入入电电阻阻比比高高电电阻阻小小，压压降降马马上上降降下下来来，因因而而要要求求输输入入电电阻阻的的值值远远大大于于高高电电阻阻值值才才不不致致影影响响压压降降的准确度。的准确度。弱弱电电流流放放大大器器实实质质上上是是个个阻阻抗抗变变换换器器，它它的的输输入入电电阻阻极高，而其输出电阻很小，这样才可以驱动测量仪表。极高，而其输出电阻很小，这样才可以驱动测量仪表。一、电阻式弱电流放大器第60页/共67页n弱电流放大器除了输入管必须选择好之外还需要注意下列二点：零点漂移和零点摆动 弱电流放大器是一种直流放大器，因此必须注意零点漂移，零点摆动是由噪声引起的，其中主要是1/f噪声，。测量时间的考虑 事实上，与高电阻并联的还存在分布电容与放大器输入电容，在输入电流变化时，输入电压以时间常数RC指数上升，达到稳定需要时间，若R=1012，即需要100秒才能建立起输入电压，把R接在反馈回路内加以解决，使R等效到输入端的电阻为R/A，因而时间常数为RC/A，建立时间为原来的1/A。第61页/共67页 作为弱电流放大器输入级的器件有两种：作为弱电流放大器输入级的器件有两种：静电计管静电计管和和MOSMOS场效应管场效应管 静静电电计计管管是是一一种种低低栅栅流流的的真真空空管管，在在制制作作工工艺艺上上要要保保证证栅栅流流的的极极小小（从从灯灯丝丝发发射射机机制制、外外加加电电级级电电压压大大小小选选择择；电电极极间间清清洁洁度度，光光和和电电磁磁屏屏蔽蔽等等方方面面精精心心设设计计），优优良良的的静静电电计计管管栅栅流流可可小小到到1010-14-14A A以以下下，即即输输入入电电阻阻大于大于10101414。绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管（MOSFETMOSFET）也也具具有有极极高高的的输输入入电电阻阻，在在使使用用时时同同样样也也需需注注意意其其工工艺艺上上安安排排，保保证证栅栅极极与与各极和地之间有良好绝缘，同时应注意静电保护。各极和地之间有良好绝缘，同时应注意静电保护。第62页/共67页静电计管：一种特殊的电子管；u栅极输入电阻：10141015；u栅极电流:10-13 10-16A；u导电方式：单极性载流子导电方式；u缺点：体积大，寿命短，功耗高，稳定时间长。第63页/共67页第64页/共67页第65页/共67页第三章作业3.2 3.5 3.7 3.8 3.9 3.10第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页