谱仪放大器的几种基本电路 基线恢复器 逻辑展宽器 模拟展宽器 线性门.

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1 谱仪放大器的几种基本电路 基线恢复器 逻辑展宽器 模拟展宽器 线性门

2 基线恢复器 基线偏移 由于堆积的存在，会使信号的基线发生涨落
当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，未能把充电电荷放光，当下一个脉冲到达时，电容器上的剩余电荷将引起这个新出现脉冲的基线偏移 基线偏移会使能谱峰位移动及能量分辨率变坏，特别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

3 基线恢复器的原理 基线恢复器的基本原理

4 基线恢复器的原理 设想有一种元件或电路，能跟踪基线VB的变化，在信号V1到达之前，随时随地记录当前的基线电平VC=VB ，当信号到达，它能完成该信号减去信号到达前瞬间的基线电平的功能，V2=V1-VC ，从而得到真正的信号电平，这就是基线恢复器的基本原理

5 理想基线恢复器 理想基线恢复器原理： 在信号出现前利用电容跟踪基线电平 当信号出现时，保持基线电平不变

6 理想基线恢复器 理想基线恢复器： 理想基线恢复器很难实现，通常采用较简单办法来近似模拟理想系统
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Vb 一旦信号加入，信号通过控制器使S打开，电容电压不变。则有：V1 = VS + Vb，V2 = V1 - VC = VS 利用采样-保持原理，在信号间隙时间内进行采样，在信号持续时间内将采样结果保持在电容器C上 理想基线恢复器很难实现，通常采用较简单办法来近似模拟理想系统

7 常用基线恢复器 CD基线恢复器 CDD基线恢复器 开关型基线恢复器

8 CD基线恢复器 CD基线恢复器是由电容和二极管构成：

9 CD基线恢复器 在没有脉冲信号输入时，有vC=v1
当v1正向跳变到V1，在(t0-t1)期间，D截止，C上电压变化很慢，v2的峰顶降落为[(V1/rR)tw]/C 在信号间隙ts内，由于D导通，C上电压以时间常数rDC（rD为二极管的正向导通电阻）迅速跟上输入信号电平，输出信号基线得到恢复

10 CD基线恢复器 当输入信号存在下冲时，C上电压vC可以跟踪下冲到信号最低电平，但难以在下冲后恢复
在信号没有下冲而基线迅速上升时，C上电压也不能跟踪基线，v2只能以时间常数rDC上升，要经过相当长的时间才能达到信号基线电平

11 CD基线恢复器 二极管D并不是理想开关，导通时存在一定正向电阻，而截止时也存在有限的阻抗值，因此基线恢复的速度有限
对于单极性的正输入信号，CD基线恢复器具有一定基线恢复功能，但必须要求输入信号的基线上升速度慢于vC的跟踪速度 对于负信号，CD基线恢复器并不能起到基线恢复作用

12 CD基线恢复器 如果脉冲间隔ts不比rDC大很多，C上电荷将有相当一部分不能在ts内放掉，这会造成明显的基线偏移
可采用有源CD基线恢复器形式，将二极管作为运算放大器反馈元件，使D的等效正向电阻变为rD/(1+A)，以减小放电时间常数

13 CD基线恢复器 CD基线恢复器的优缺点： 优点：结构简单

14 CDD基线恢复器 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）
V1=VS+Vb，V2=V1-VC，当VC=Vb时，有V2=VS

15 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器的工作原理 当V2=0时，D1、D2均导通，并分别流过I2电流，流过C的电流为0，Vc保持不变
若输入端基线Vb上升，就会使V2上升，此时D1截止，输入端对电容器C充电，充电电流为I2，Vc的上升速率为I2/C，当充电到Vc=Vb时，V1基线被记忆在电容器C上 反之，若输入端基线Vb下降，就会使V2下降，此时D2截止，电容器C对输入端放电，放电速率也为I2/C，当Vc=Vb时，放电过程停止

16 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器的工作原理

17 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器的工作原理 无论基线向任何方向变动，经过ΔT=CΔV/I2时间，就可使输出电平为零
若要加快恢复时间，可加大I2/C，但必须保证波形不发生严重畸变，因此在实际使用过程中，需要根据信号特点，来选择合适的电容C

18 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器的特点 记忆住基线电平所需的时间为： 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：
输出信号的平顶有一定的下降，当信号结束后，在Tw时间内将充在电容器上的电荷放掉，输出端恢复到零电平

19 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器的特点 当在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ΔVc的下降，信号结束后拖有宽度为Tw的反向尾部 若基线电平突变，则对应在突变处会出现一个正或负的脉冲 只要满足dVb/dt << I2/C，即可认为满足缓慢变化的条件

20 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器实际电路

21 CDD基线恢复器 CDD基线恢复器实际电路 D1、D2采用高频对管结构封装在一起，T1、T2通过稳压管来实现恒流源电路
由于CDD基线恢复器在脉冲过后，需要至少Tw时间才能恢复到原有基线，因此电路计数率会受到限制 为加快电路恢复速度，可采用非对称充放电结构，使I1>>I2，当信号输入时以I2充电，在信号结束后以I1进行放电 由于电路的不对称性，使得其只能适用于单极性信号输入，需要通过极零相消电路消除信号的反向过冲

22 有源CDD基线恢复器 为提高CDD基线恢复器的放电速度，可采用有源CDD基线恢复器形式 将二极管接入运放的反馈回路

23 有源CDD基线恢复器 有源CDD基线恢复器特点 相比于无源情况，充放电的速度变为原来的(k-1)倍

24 开关型基线恢复器 开关型基线恢复器原理 利用外部控制电路，实现基线恢复功能

25 开关型基线恢复器 开关型基线恢复器原理 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 当信号输入时，触发控制器使S断开，充电电流为I1，若I1<<I，则在信号持续时间内C上电压基本不变 当信号结束后，S闭合，电荷迅速泄放 这种结构的电路也只适用于单极性信号

26 基线恢复器小结 基线恢复器可以在不改变谱仪放大器输出波形的情况下，就恢复因信号尾堆积引起的基线偏移，并抑制由各种慢变化引起的基线偏移，其位置一般在谱仪放大器的最后几级 在基线恢复时间内，由于基线恢复器输入时间常数较小，耦合电容会被噪声充电，当信号输入时，该噪声会与脉冲信号峰值处的噪声相叠加，从而导致谱仪放大器的噪声有所增加

27 基线恢复器小结 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
在设计和选用基线恢复器时，要注意适应各种实验条件，通过调节时间常数，在清除基线偏移的同时减小低频干扰，避免信噪比的退化

28 逻辑展宽电路 逻辑展宽电路的功能是展宽逻辑脉冲信号

29 逻辑展宽电路 当信号a输入时，展宽电路产生一个宽度为T的输出信号 若信号b在信号a展宽结束之后到达，则在信号b输入后开始展宽输出
当在信号b展宽输出结束之前，有信号c输入时，此时输出信号会继续展宽，一直到从c触发T时间之后才结束

30 逻辑展宽电路 逻辑展宽电路类似一个单稳成形电路，它与单稳态不同处在于第一个输入信号触发之后不管是否达到展宽的宽度T，若有第二个信号输入，则继续展宽T时间，因此又称为实时更新单稳电路 逻辑展宽电路输出信号宽度T称为监察周期，由于该电路具有检测随机信号间隔是否小于监察周期的功能，因而在堆积判弃电路中将是十分有用的

31 逻辑展宽电路 逻辑展宽电路工作原理

32 逻辑展宽电路 逻辑展宽电路工作原理 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G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，此时V2为高电平输出 在输入信号结束后，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

33 逻辑展宽电路 逻辑展宽电路工作原理 逻辑展宽电路仅需要对脉冲信号进行逻辑展宽，并不需要精确保持输入信号的幅度信息
输出信号宽度就是电容器从低电平上升到使与非门的输入端达到门槛电平所需的时间T 电路展宽时间T可通过调节恒流源的电流来实现 逻辑展宽电路仅需要对脉冲信号进行逻辑展宽，并不需要精确保持输入信号的幅度信息

34 模拟展宽电路 在核信号处理过程中，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
模拟展宽电路可以把信号幅度展宽到需要使用时为止，还可以在模拟信号幅度达到峰值时给出峰值检测信号，因此又称为峰展宽电路

35 模拟展宽电路 模拟展宽电路工作原理 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

36 模拟展宽电路 有源模拟展宽电路结构

37 模拟展宽电路 有源模拟展宽电路工作原理 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，因而Vc保持不变，V2也保持不变 当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

38 线性门电路 当需要对信号进行时间上的筛选时，可以使用线性门电路 在开门电平作用下，线性门开放，脉冲信号以最小畸变通过线性门
在关门电平作用下，线性门关闭，脉冲信号无法通过线性门

39 线性门电路 线性门电路分为常闭式和常开式两种 常闭式：当有门控信号加入时，输入信号可以线性地送到输出端
常开式：平时可以将输入信号可以线性地送出，一旦门控信号加入，则关闭传送途径，直至门控信号消失，才恢复常态

40 线性门电路 线性门电路原理 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，若RL >> R，则有： 关门时：开关S闭合（在位置1）， 电流源I的电流通过D，只要满足 V1/R < I，则D始终导通，输出端 被钳位在零电平附近

41 线性门电路 电阻二极管线性门电路原理 T1、T2组成电流开关，T3、T4组成开关控制电路

42 堆积判弃 在高计数率测量情况下，堆积，尤其是峰堆积，将导致能谱产生畸变，严重影响能谱测量的分辨率
对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积，通常是通过判断信号的时间间隔是否过小来判别堆积是否发生，然后将发生峰堆积的信号剔除，不予放大和记录，这种技术称为堆积判弃（或堆积拒绝、反堆积）

43 堆积判弃 对一个信号是否发生堆积的判别 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，这时前一个脉冲可以保留，而观察脉冲应该舍去

44 堆积判弃 对一个信号是否发生堆积的判别

45 堆积判弃 对一个信号是否发生堆积的判别 设Ta、Tb分别为脉冲a和b的到达时间，脉冲宽度为Tw，达峰时间为Tm
若Ta-Tb>Tw，a脉冲对b脉冲不发生峰堆积，a、b脉冲都可取 若Tm< Tb-Ta<Tw时，a脉冲对b脉冲峰堆积，为后堆积，b脉冲应舍弃 若Tb-Ta<Tm时，不仅b脉冲被a脉冲堆积，b脉冲对a脉冲也发生峰堆积，为前堆积，因而a、b两个脉冲均应被舍弃

46 堆积判弃 堆积判弃电路原理

47 堆积判弃 堆积判弃电路原理

48 堆积判弃 堆积判弃电路原理 从前置放大器输出信号①，经过快成形和快甄别电路后，得到在时间上与信号几乎同时到达的窄脉冲信号③，并送入到RS触发器PU的S端 逻辑展宽器的输出信号④被延迟后加到PU的R端，延迟时间略大于信号③的宽度，以避免逻辑展宽器发生第一次跳变时，也会使PU置于1态(Q=1)

49 堆积判弃 堆积判弃电路原理 对于脉冲a、b、d，堆积标志⑥处于高电平，表示无堆积发生，而对于c和e，将PU置1，输出低电平，在T时间后又返回高电平，分别输出二次宽度为T的低电平信号，表明有后堆积发生 有了堆积标志信号⑥之后，即可用来控制线性门，使c、e脉冲不能通过而加以舍弃，但是这种方法仅仅解决后堆积问题

50 堆积判弃 堆积判弃电路原理 由于d脉冲在还未达到峰值时，e脉冲已经到达了，即e脉冲对d脉冲产生了前堆积，因此d脉冲也应被舍弃
利用模拟峰展宽器输出一个达峰标志信号⑧，并与堆积标志信号⑥相与来控制常闭式线性门，只有堆积标志为高电平（无后堆积）且有达峰标志信号同时存在时才能打开线性门，这样既舍弃了后堆积又舍弃了前堆积 实际系统中，需要根据实验的具体情况，采用不同的判弃方法

51 堆积判弃 死时间校正 从堆积判弃原理中可知，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 从总的测量时间中扣除这个死时间得到活时间，由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，但通过死时间校正，其计数损失得到了校正

52 堆积判弃 允许最高计数率 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 若输入信号的计数率增高到1/T 时，则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，这将使可以记录到的信号趋近于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

53 堆积判弃 允许最高计数率 若谱仪放大器输出脉冲的峰部宽度为Tw，输入脉冲的平均计数率为R，当取监察周期T=Tw时，对输出无堆积信号的计数率为： 当R=1/Tw时，即输入计数率增加到1/Tw时，输出计数率n达到最大值1/eTw 如果输入计数率继续增加，则输出计数率反而会降低，使所需测量时间变的更长

54 快放大器 快放大器是指上升时间很小或者频带很宽的放大器 实现快放大器应该注意 快放大器分为快电流放大和快电压放大 上升时间一般在毫微秒量级
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 注意防止振荡和寄生反馈 快放大器分为快电流放大和快电压放大

55 快放大器 快电流放大 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，因而电流放大器一定是快放大器

56 快放大器 快电压放大 一般来说，放大器的输入阻抗很大，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，脉冲信号将变得很慢
物理实验中，通常会使用特征阻抗为50Ω的电缆来传输信号，为保证信号不失真，在主放大器的输入端，需要用50Ω电阻来实现信号匹配，从而提高了电压放大器的速度，使其也能成为放大快信号的放大电路

57 快电流放大器 并联负反馈快电流放大器： 采用共基共集电流并联负反馈电路形式

58 快电流放大器 并联负反馈快电流放大器： 并联负反馈快电流放大器还可以接成其他组态，如共基共射组态、共射共基组态等 电路的并联电流反馈系数为：
可调电容C作为补偿电容，可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 并联负反馈快电流放大器还可以接成其他组态，如共基共射组态、共射共基组态等

59 快电压放大器 电压负反馈快电压放大器： 该电路的闭环增益为：

60 快电压放大器 电压负反馈快电压放大器： 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
在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 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 通过选择截止频率较高的晶体管（1GHz），可达到较快的上升时间（1ns）

61 弱电流放大器 在放射性强度测量中，如剂量仪器或同位素技术应用中，常采用积分电离室探测器，其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 通常采用的磁电式电流计测量方式，在测量10-9A电流时，就十分困难

62 弱电流放大器 但是电离室输出的电流，或加速器输出的带电粒子束流，其电流强度一般在10-7~10-15A量级，甚至更小，并且电流变化极为缓慢，可近似为直流电流 为测量这样的微弱电流，就必须使用具有高阻输入特性的特殊器件，如静电计管、场效应管等组成的弱电流放大电路

63 电阻式弱电流放大器 电阻式弱电流放大器测量原理： 使弱电流在一个高电阻上产生可观的压降，测量此压降即可得知电流的大小
测量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 电阻式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

64 电阻式弱电流放大器 电阻式弱电流放大器设计要点：
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：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

65 电阻式弱电流放大器 电阻式弱电流放大器设计要点：
测量时间：若将高电阻R接在反馈回路内，可使输入端的电阻等效为R/A，此时时间常数变为RC/A，相应的信号建立时间也变为原来的1/A

66 电阻式弱电流放大器 常用的弱电流放大器输入极器件
静电计管：静电计管是一种低栅流的真空管，通过制作工艺，如灯丝发射机制、外加电极电压、电极洁净度、避光、电磁屏蔽等，保证极小的栅流，优良的静电计管栅流可小到10-14A以下，即输入电阻大于1014Ω MOS场效应管：MOS场效应管也具有极高的输入电阻，在使用时需要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

67 动电容式弱电流放大器 动电容式弱电流放大器工作原理： 利用调制器，如振动电容调制器，将待测电流转换为交流电压，经交流放大，解调后进行测量
信号放大是由交流放大器来完成的，因而从根本上解决了直流耦合放大器产生的漂移问题 使用这种方法测量时，漂移主要由调制器的稳定性决定

68 动电容式弱电流放大器 振动电容调制器： 振动电容调制器是一个电容量随时间变化的电容器
其结构由两个极板和一个激励线圈组成，在线圈两端加入交流电压，在交变电磁场作用下，两极板之间的距离不断变化，从而使电容量不断变化：

69 动电容式弱电流放大器 调制器工作原理： 静态时振动电容的激励线圈上无激励电压，振动电容静止，其容量为C0
工作时激励线圈上接入频率为f 的激励电压，动电容的极板做同样频率的简谐振动，其电容量为： 当输入被测弱电流I时，若电容两端的并联直流电阻是R，则电容的端电压为IR，所充电荷为Q＝RC0I

70 动电容式弱电流放大器 调制器工作原理： 为使电容上的电荷量基本不变，并获得较大的交流电压，应满足RC0 >> 1/2πf ，此时有： 若C0=20pF，f=50c/s，则R >> 1.6*108Ω

71 动电容式弱电流放大器 动电容静电计： 采用负反馈结构，通过R’调节放电速度，其输出电压为Vo≈IR
动电容静电计的灵敏度可高达10-167~10-17A量级

72 电容式I-f转换弱电流放大器 电容式I-f转换弱电流电流放大器工作原理： 通过电流-频率转换来测量电流大小

73 电容式I-f转换弱电流放大器 电容式I-f转换弱电流电流放大器工作原理：
输入电流对电容器积分Vo(t) = It/C 当t = CVF/I 时，比较器产生输出，使电流开关导通 电容器C上电荷迅速放电，接着电流源I再次对电容C充电 单稳态输出信号周期为I/CVF ，频率为f = 1/CVF 用定时计数器记下一定时间间隔内测得的计数值，此值将正比于f，也就正比于I 由于电容的稳定性要优于高电阻，因此电容式弱电流测量方法的测量稳定性比电阻式高

74 习题三： 1、浅述谱仪放大器的基本功能和主要组成部分 2、放大器的微分非线性、积分非线性分别指的是什么？产生非线性的主要原因是什么，一般怎样解决？ 3、说明基线起伏的原因，简要分析CDD基线恢复器的工作原理。 4、高能量分辨率和高技术率谱仪放大器如何消除峰堆积现象？加入堆积判弃电路是否可以使谱仪放大器的计数率提高很多？为什么？ 5、若单光子探测器的死时间是100ns，那么在探测到5M/s计数率条件下，它的计数率损失是多少？