第三章 谱仪放大器优秀课件.ppt

第三章 谱仪放大器第1 页，本讲稿共68 页基线恢复原理l 基线偏移现象l 堆积存在使信号的基线发生涨落l 无尾堆积的系列脉冲通过CR 网络时l 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。l 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l 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。第2 页，本讲稿共68 页第3 页，本讲稿共68 页第4 页，本讲稿共68 页基线恢复原理l 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，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。第5 页，本讲稿共68 页理想基线恢复器l 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。第6 页，本讲稿共68 页CD基线恢复器n最简单的基线恢复器是由电容和二极管构成，二极管D近似起到开关S的作用，D的导通或截止取决于V2 的正或负。n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。n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。V2V1第7 页，本讲稿共68 页n 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。CD基线恢复器第8 页，本讲稿共68 页l 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 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。CD基线恢复器第9 页，本讲稿共68 页无源CDD恢复电路n 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）其原理如图。V1=Vs+VbV2=V1-Vc当 Vc=Vb，V2=Vs 恒流源恒流源第10 页，本讲稿共68 页无源CDD恢复电路l 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。l 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。基线被记忆在电容器C上面。l 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。l 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第11 页，本讲稿共68 页l 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。v 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 V=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 时间内将充在电容上的电荷放掉。输出端恢复到零电平。无源CDD恢复电路第12 页，本讲稿共68 页无源CDD恢复电路下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 I2/C，就满足了缓慢变化条件第13 页，本讲稿共68 页第14 页，本讲稿共68 页CDD基线恢复实际电路第15 页，本讲稿共68 页CDD基线恢复实际电路恒流源I1恒流源I2第16 页，本讲稿共68 页D1和D2采用高频对管（封 装在一个管壳内），T1和T2分别均为恒流发生电路。可以看出这一类的基线恢复器在脉冲过后至少要大于Tw 时间（Tw为脉冲宽度）才能恢复到原来的基线，这样电路计数率容量受到限制。为了加快电路恢复速度，用非对称充放电使I1kI2，k1，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。CDD基线恢复实际电路第17 页，本讲稿共68 页开关型基线恢复器l 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上电压变化很小，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掉。但这种电路也只适用于单极性信号。第18 页，本讲稿共68 页跨导放大器：增益为电导。跨导放大器特性曲线第19 页，本讲稿共68 页第20 页，本讲稿共68 页有源基线恢复器原理图第21 页，本讲稿共68 页l 基线恢复器一般加在谱仪放大器后几级或最后，它不改变谱仪放大器输出波形，就可以恢复信号尾堆积引起的基线偏移和抑制各种慢变化引起的基线偏移。l 谱仪放大器由于加了基线恢复器后它的噪声也会有所增加。在恢复器工作时，基线恢复的时间很短，在这一段恢复时间内，基线恢复器输入时间常数很小，信号来到前的瞬间，耦合电容C被噪声充电，该噪声和脉冲信号峰值处的噪声叠加，结果该噪声增大，这是我们不希望的。l 在要求噪声很低的条件下，门控基线恢复器能减少这种影响，不过这样基线恢复器电路复杂，调节也麻烦一些。l 基线恢复器对信噪比的影响与放大器滤波成形电路时间常数，噪声转角时间常数以及恢复时间常数等参量有关。它可以通过实验来调节时间常数，得到较好的信噪比。在设计和选用基线恢复器时，要注意能适应各种实验条件，在清除基线偏移的同时减小低频干扰，并避免信噪比的退化。基线恢复器第22 页，本讲稿共68 页二 通用谱仪放大器作为半导体探测器谱仪或正比计数器谱仪的主放大器第23 页，本讲稿共68 页第24 页，本讲稿共68 页L1延迟线将信号延迟0.6us单DL（Delay-Line）成形电路原理vivivi输出信号信号相加vivo反相放大器将信号反相第25 页，本讲稿共68 页第26 页，本讲稿共68 页第27 页，本讲稿共68 页第28 页，本讲稿共68 页5 高能量分辨率高计数率谱仪放大器u提高计数率，也就提高了实验效率，降低实验成本，避免系统长时间漂移和稳定的影响。u在线性放大，滤波成形，基线恢复等技术的基础上，增加了堆积拒绝电路技术。u反堆积谱仪放大器一、堆积拒绝方法n判断是否发生堆积；n剔除堆积信号；n给出堆积标志信号。第29 页，本讲稿共68 页uTtW-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30 页，本讲稿共68 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31 页，本讲稿共68 页u 线 性 门 是 传 输 信 号 的 一 个 门 电 路，其 作 用 在 控 制 信 号（门 控 信 号）作 用 下，可 以 有 两 个 状 态。在 门 控 信 号 的 开 门 电 平 作 用 下，线 性 门开 放，脉 冲 信 号 以 最 小 畸 变 通 过 线 性 门，传 输 系 数 为 一 常 数，通 常取1。在 门 控 信 号 关 门 电 平 作 用 下，线 性 门 关 闭，脉 冲 信 号 无 法 通 过 线性门，即它的传输系数为0。u 线 性 门 可 以 用 来 对 信 号 作 时 间 上 的 筛 选，其 基 本 示 意 图 如 下图所示：第32 页，本讲稿共68 页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33 页，本讲稿共68 页电阻二极管线性门原理图电阻二极管线性门原理图，n 开门时：开 关S 断 开（在 位 置2），在有 正 信 号输 入时，二 极 管D 截 止，信 号通过电 阻 R传 送，图 中 RL为负载电 阻，n 关门时:开 关S闭 合（在 位 置1），电流源I 的电流通过D，只要 条件满足D 始终导通，输出端被钳位在零电平附近。第34 页，本讲稿共68 页p具体电路，其中T1和T2组成一个电流开关，T3、T4为开关控制电路。第35 页，本讲稿共68 页集成线性门电路CD4066第36 页，本讲稿共68 页第37 页，本讲稿共68 页逻辑展宽电路第38 页，本讲稿共68 页逻辑展宽电路l 静 态 时，V1 为 高 电 平，A点 亦 处 于 高 电平，电 容 器C被 充 到 高 电 平，RS 触 发 器输 出 端 为 低 电 平。当V1 下 降 到 低 电平 时，A点 亦 下 降 到 低 电 平，G的S端 成 为 高电 平（即M输 出 端），V2 为 高 电 平 输 出。输入信号结束后，D处于截止状态，电流源对 电 容C充 电，Va 线 性 上 升，一 直 到A点电 压 达 到M（与 非 门）的 门 槛 电 平 时，G的S端 变 为 低 电 平，此 时G才 从0态 返 回1态。输 出 信 号 宽 度 就 是 电 容 器 从 低 电 平 上升 到 使M的 输 入 端 达 到 门 槛 地 点 平 所需 的 时 间T。假 如 在 电 容 器 未 被 充 电 到 使G翻 转 时 有 第 二 个 信 号 到 达，电 容 器 上 电压 有 被 重 新 拉 到 低 电 平，在 此 信 号 结 束之 后 电 流 源 又 重 新 给 电 容 充 电，继 续 拉长 一 个 宽 度 时 间。（见 图 中 所 示 几 点 波形 图）此 电 路 展 宽 时 间T可 通 过 调 节 恒流源的电流来实现。第39 页，本讲稿共68 页峰展宽电路n 在处理核信号过程中时常需要把信号的幅度信息保存起来以便在需要的时候提供使用。模拟展宽电路就可以把信号的幅度展宽一直到需要使用时为止，还可以在模拟信号幅度达到峰值时给出峰值检测信号。第40 页，本讲稿共68 页模拟展宽器的原理图n 在输入信号V1上升阶段，输出信号Va 随着V1上升而上升，一直跟随到的V1 峰值，此后Va 保持不变，保持一定时间之后才迅速返回到零，保持期间（展宽）的宽度可以加以控制。第41 页，本讲稿共68 页有源峰展宽器n 在V1 信 号 上 升时，Vf信 号电 平 使 控 制 开 关S 断 开，电 容 上电压Vc 通过 二 极 管D 充电 跟 随V1 上 升，当V1到 达 峰值 之 后，D 截 止，电 容C 无 放电 通 路（图 中放 大 器A1 和A2 均 有 很 高输 入 阻 抗），因 而Vc 保持 不变，V2 也 保 持 不变。一 直 到Vf上 升 到 高电 平，开 关S闭 合，C经电 流 源放电 回 到 静态电 平，放大 器A2 起 到 与负载电 路之间隔离的作用。第42 页，本讲稿共68 页第43 页，本讲稿共68 页堆积拒绝电路 l 堆积拒绝原则l 堆积拒绝电路原理l 死时间校正和允许最高计数率第44 页，本讲稿共68 页堆积判弃原则l 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）。l 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。l 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45 页，本讲稿共68 页峰堆积后的输出波形第46 页，本讲稿共68 页堆积拒绝电路原理框图第47 页，本讲稿共68 页第48 页，本讲稿共68 页l 从堆积判弃电路分析中知道在监察信号的时间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。l 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49 页，本讲稿共68 页l 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/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。l 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50 页，本讲稿共68 页幅度拒绝方法：模拟方法第51 页，本讲稿共68 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52 页，本讲稿共68 页快放大器l 快放大器概述l 快电流放大器l 快电压放大器 第53 页，本讲稿共68 页概述l 快放大器是指上升时间很小或者说频带很宽的放大器l 上升时间一般在纳秒量级，l 带宽在300MHZ以上，l 增益在几倍到几十倍。l 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l 快放大器分为快电流放大和快电压放大。第54 页，本讲稿共68 页概述l 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。l 电压放大：一般来说，它的输入阻抗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意义了。当用特征阻抗为50的电缆与电压放大器相连时，为使信号不失真，都用50电阻并联电压放大器的输入端来实现与50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55 页，本讲稿共68 页并联负反馈快电流放大器第56 页，本讲稿共68 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57 页，本讲稿共68 页电压负反馈快电压放大器第58 页，本讲稿共68 页l 上图为一个二级电压串联负反馈放大节，负反馈通过Rf在T1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59 页，本讲稿共68 页弱电流放大器 l 弱电流放大器概述l 电阻式弱电流放大器 第60 页，本讲稿共68 页弱电流放大器概述l 在放射性强度测量中，常采用积分电离室，它的输出电流与射线的强度成正比，测量此电流值就可获得放射性强度大小的信息。在剂量仪器和同位素应用技术中放射性强度测量是经常被采用的方法。但是电离室输出的电流一般是10-710-15安培量级的慢变化电流（近似为直流电流），测量这样微弱的电流需采用弱电流放大器。例如电离室输出电流，光电倍增管输出电流及加速器输出的带电粒子的束流，其电流一般在10-510-15A，甚至更小一些地微弱电流。当在测量10-9A电流时，通常用的磁电式电流计就十分困难。所以弱小电流的测量就不能用磁电式电流计，必须用高输入阻抗的特殊器件如静电计管，场效应管等组成的弱电流放大的电路。第61 页，本讲稿共68 页l 弱电流测量的原理：使弱电流在一个高电阻上产生可观的压降，测量此压降，可得知电流的大小，例如10-9A的电流在109电阻上即可产生1伏的压降。但是测量这1伏的压降并不容易，因为把电表直接接上去，如果电表的输入电阻比高电阻小，压降马上降下来，因而要求输入电阻的值远大于高电阻值才不致影响压降的准确度。l 弱电流放大器实质上是个阻抗变换器，它的输入电阻极高，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62 页，本讲稿共68 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63 页，本讲稿共68 页 作为弱电流放大器输入级的器件有两种：l 静电计管l 和MOS场效应管 静电计管是一种低栅流的真空管，在制作工艺上要保证栅流的极小（从灯丝发射机制、外加电级电压大小选择；电极间清洁度，光和电磁屏蔽等方面精心设计），优良的静电计管栅流可小到10-14A以下，即输入电阻大于1014。绝缘栅场效应管（MOSFET）也具有极高的输入电阻，在使用时同样也需注意其工艺上安排，保证栅极与各极和地之间有良好绝缘，同时应注意静电保护。第64 页，本讲稿共68 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65 页，本讲稿共68 页第66 页，本讲稿共68 页第67 页，本讲稿共68 页第三章作业3.2 3.5 3.7 3.8 3.9 3.10第68 页，本讲稿共68 页