谱仪放大器学习.pptx
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1、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 弱电流放大器第1页/共64页一、放大器在核测量系统中的作用在测量系统中的具体位置: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单道脉冲幅度分析器;器;多道脉冲幅度分析多道脉冲幅度分析器等器等1 概述探头 对信号进一步放大和成形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,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
2、们的失真。能减少它们的失真。第2页/共64页探头实例1 概述第3页/共64页1 概述n 通通常常在在能能谱谱测测量量中中所所用用的的放放大大器器,主主要要看看其其在在能能谱谱测测量量中中对对能能量量分分辨辨率率的的影影响响大大小小,尽尽可可能能降降低低它的影响。它的影响。n 当当前前的的放放大大器器利利用用滤滤波波成成形形技技术术,基基线线恢恢复复技技术术,堆堆积积拒拒绝绝技技术术,建建立立适适用用于于高高计计数数率率高高能能量量分分辨率的谱仪放大器。辨率的谱仪放大器。n 放放大大器器的的输输出出信信号号要要适适应应分分析析测测量量设设备备的的要要求求,必须解决两个问题:必须解决两个问题:把小
3、信号放大到需要的幅度把小信号放大到需要的幅度 滤滤波波成成形形(目目的的是是放放大大有有用用的的信信号号,降降低低噪噪声声,提提高高信信噪噪比比,适适合合于于后后续续电电路路的的测测量量,尽可能不丢失有用信息)。尽可能不丢失有用信息)。n 无无论论是是进进一一步步放放大大或或是是滤滤波波成成形形,都都必必须须保保持由探测器输出的信息:持由探测器输出的信息:幅度信息幅度信息 时间信息时间信息 第4页/共64页二、谱仪放大器的框图介绍1 概述极性转换电路极-零相消电路积分滤波放大电路输出电路输出 输入极性转换电路极-零相消电路积分滤波放大电路输出电路单极性输出 输入基线恢复电路输出电路第二次微分电
4、路双极性输出极性转换电路极-零相消电路积分滤波放大电路输出电路 输入基线恢复电路输出电路第二次微分电路双极性输出堆积拒绝电路堆积占用单极性输出第5页/共64页二、谱仪放大器的框图介绍1 概述第6页/共64页1、放大器的放大倍数(增益)及稳定性n放大器放大倍数(增益)定定义义当当输输入入阶阶跃跃电电压压或或上上升升时时间间足足够够小小,足足够够宽宽的的矩矩形形脉脉冲冲时时,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。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第7页/共64页放大器
5、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%.第8页/共64页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/)iBvBE25C50CRB+VCCRCTVBEIBICQ点上移 T第9页/共64页二、温度对ICBO的影响TICBOICQiCvCEQQ温度上升时,温度上升时,输出特性曲线输出特性曲线上移,造成上移,造成Q点点上移。上移。I
6、CBO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=I2IBIREFI2VEICIEIBVB抑制I IC C 的变化第13页/共64页RB1+VCCRCRB2CERERLuiuo基本特点 稳定过程 TVBEIBICVEIE=IC+IBICIEREIEVBE=VB-VE电路稳压的过程实际是由于加了电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了形成了负反馈负反馈过程过程IREFI2VEICIEIBVB 利用
7、RE将IE的变化转化为电压的变化。第14页/共64页2、放大器的线性l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。vovi积分非线性(INL)微分非线性(DNL)第15页/共64页定义放大器的积分非线性为定义放大器的积分非线性为 表表示示在在输输出出从从0 0到到 范范围围内内实实验验点点与与拟拟合合直直线线之之间间的的差差值值最最大大值值。为为最大输出额定信号幅度。最大输出额定信号幅度。积积分分非非线线性性直直接接影影响响到到能能量量刻刻度度误误差差
8、及及使使峰峰位位发发生偏移生偏移。积分非线性(INL)第16页/共64页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第17页/共64页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实验测量电路图第18页/共64页微分非线性(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。第19页/共64页VoViVomax0 Vi Vo Vi Vo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:第20页/共
9、64页非线性产生原因与改善iCvCEvoib可输出的可输出的最大不失最大不失真信号真信号(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:第21页/共64页(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:输出波形输出波形iCvCEvo输入波形输入波形ib第22页/共64页非线性产生原因与改善非线性产生的原因分析:iCvCEib输入波输入波形形vo输出波形输出波形放大电路产生饱和失真(3)静态工作点选择过高,信号进入截止区第23页/共64页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
10、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 。第24页/共64页3、放大器噪声和信噪比放放大大器器输输出出信信息息由由信信号号,噪噪声声和和干干扰扰组组成成。干干扰扰信信号号是是外外部部的的,可可以以通通过过各各种种方方法法减减到到最最小小。噪噪声声是是由由前前置置放放大大器器输输出出噪噪声声和和放放大大器器输输入入端端自自身身的的噪噪声声所所决决定定的的,一一般般放放大大器器输输入入端端的的噪噪声声只只要要比前置放大
11、器输入端的噪声小一个量级就可以满足要求。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 量分辨率变坏量分辨率变坏(前置放大器的噪声功率谱密度为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,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。能抑制噪声。第25页/共64页4、放大器的幅度过载特性 放放大大器器工工作作超超出出线线性性范范围围较较小小时时放放大大器器还还能能正正常常工工作作,只只是是非非线线性性系系数数变变大大;而
12、而当当超超出出范范围围很很大大时时放放大大器器在在一一段段时时间间内内就就不不能能正正常常工工作作,这这种种现现象象称称为为放放大大器器的的幅幅度度过过载载,也也成成为为阻阻塞塞。引引起起过过载载的的脉脉冲冲成成为为过过载载脉脉冲冲,这这一一段段不不能能恢恢复复正正常常工工作作的的时时间间成成为为放放大大器的死时间器的死时间(dead time)(dead time)。举例:举例:在在测测量量同同位位素素的的低低能能X X射射线线产产生生的的脉脉冲冲信信号号时时,伴伴随随着着有有高高能能伽伽马马射射线线产产生生特特大大的的脉脉冲冲信信号号,就就可可能能使使放放大大器器获获得得比比正正常常幅幅度
13、度大大上上几几百百倍倍的的输输入入脉脉冲冲,其其结结果果使使放放大大器器在在某某级级或或几几级级中中使使工工作作点点远远离离线线性性区区,并并使使有有的的器器件件饱饱和和,有有的的器器件件截截止止。放放大大器器在在一一段段时时间间内不能恢复正常工作,从而使测量产生误差内不能恢复正常工作,从而使测量产生误差。第26页/共64页4、放大器的幅度过载特性第27页/共64页过载原因引引起起过过载载的的原原因因主主要要与与放放大大器器的的耦耦合合电电容容充充放放电电有有关关。抗抗过过载载性性能能可可用用“过过载载恢恢复复时时间间”来来表表示示,其其定定义义为为:在在给给定定过过载载程程度度的的条条件件下
14、下如如超超过过正正常常信信号号值值得得200200倍倍到到10001000倍倍,放放大大器器输输出出波波形形回回到到基基线线并并保保持持在在基基线线附附近近最最大大额额定定输输出出电电压压 的的一一个个带带内内,小小信信号号增增益益已已回回到正常时所需要的时间。到正常时所需要的时间。时间越短,性能越好。时间越短,性能越好。过过载载引引起起的的下下冲冲还还与与放放大大器器的的成成形形电电路路时时间间常常数数,输输入入脉脉冲冲宽宽度度有有关关,所所以以在在一一定定的的成成形形时时间间常常数数下下,规规定定过过载载脉脉冲冲幅幅度度为为最最大大线线性性输输入入幅幅度度的的多多少少倍倍来来衡衡量量,过过
15、载载恢恢复复时时间间则则以以不不过过载载时时的的脉脉宽宽的的多多少少倍倍来来衡衡量。量。第28页/共64页5、计数率过载特性n在在能能谱谱测测量量中中可可以以发发现现,当当信信号号脉脉冲冲的的计计数数率率从从小小到到大大变变化化时时,所所测测得得的的能能谱谱也也会会发发生生变变化化。计计数数率率增增高高会会引引起基线涨落和偏移,造成谱线展宽和位移。起基线涨落和偏移,造成谱线展宽和位移。n当当计计数数率率很很低低时时,随随着着计计数数率率的的改改变变,能能谱谱变变化化很很小小,可以忽略;可以忽略;n当计数率越大时,谱线发生的变化就愈严重;当计数率越大时,谱线发生的变化就愈严重;n在在高高计计数数
16、率率条条件件下下,由由于于信信号号堆堆积积造造成成了了谱谱线线严严重重的的畸畸变变,反反映映测测量量结结果果中中,谱谱峰峰展展宽宽,峰峰的的位位置置发发生生偏偏移移,甚至出现假峰。甚至出现假峰。第29页/共64页n在在放放大大器器中中,由由于于计计数数率率过过高高引引起起的的脉脉冲冲幅幅度度分分布布的的畸畸变称为放大器的计数率过载。变称为放大器的计数率过载。n定定义义放放大大器器的的最最高高计计数数率率为为使使谱谱线线峰峰位位移移动动1 1位位置置时时的计数率。的计数率。n计计数数率率过过载载性性能能改改善善。在在放放大大器器内内部部加加入入适适当当地地滤滤波波成成形形电电路路如如微微分分电电
17、路路可可以以使使输输出出脉脉冲冲变变窄窄,极极零零相相消消电电路路可可以以消消除除脉脉冲冲的的下下冲冲。为为克克服服高高技技术术率率引引起起的的能能谱谱畸畸变变,谱谱仪放大器中引入了仪放大器中引入了基线恢复电路基线恢复电路和和堆积拒绝电路堆积拒绝电路。5、计数率过载特性第30页/共64页6、放大器的上升时间探探测测器器输输出出的的信信号号通通常常有有快快的的前前沿沿和和缓缓慢慢下下降降的的后后沿沿,上上升升时时间间主主要要对对信号的前沿而言的。信号的前沿而言的。放放大大器器的的上上升升时时间间过过大大,会会使使输输入入信信号号产产生生畸畸变变,结结果果信信号号幅幅度度变变小小了;了;放放大大器
18、器的的上上升升时时间间非非常常小小,则则使使电电路路变变得得很很复复杂杂,同同时时增增加加了了电电路路本本身的噪声。身的噪声。放放大大器器输输出出信信号号的的性性能能改改装装,取取决决于于成成形形滤滤波波电电路路,所所以以放放大大节节上上升升时时间必须比成形滤波电路的上升时间要小得多。间必须比成形滤波电路的上升时间要小得多。l上上升升时时间间和和频频带带的的关关系系为为:快快的的上上升升时时间间相相应应有有宽宽的的频频带,采用负反馈是提高放大节上升时间很有效的方法。带,采用负反馈是提高放大节上升时间很有效的方法。l当当输输出出端端分分布布电电容容 很很大大时时,由由于于输输出出端端分分部部电电
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