第 三 章 能谱测量中的主放大器.

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1 第 三 章 能谱测量中的主放大器

2 常用放大器的类型 谱仪放大器：用于核辐射能谱仪中信号放大，一般在前置放大器之后，称之为主放大器
快放大器：用于时间测量或高计数率条件下信号放大 弱电流放大器：用于强度测量中计数积累效应产生电信号的放大

3 主放在核测量系统中的作用 前置放大器对探测器信号进行初步放大和处理，但其输出的脉冲幅度和波形并不适合后面分析测量设备，如单道分析器和多道分析器等，所以对信号还需要进一步放大和成形 在进一步放大和成形的过程中，必须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，尽可能减少它们的失真，这样的任务由主放大器来完成

4 主放在核测量系统中的位置

5 谱仪放大器 在能谱测量中所用的放大器，需要尽可能降低在能谱测量中对能量分辨率的影响，同时放大器的输出信号要适应能谱分析设备的要求，即需要：
小信号需要放大到合适的幅度 通过滤波成形，提高信噪比 保持由探测器输出的幅度信息（能谱测量中一般对时间信息并无要求，因此无需考虑时间信息方面的要求）

6 谱仪放大器的原理方框图

7 谱仪放大器的基本功能 谱仪放大器需要放大前置放大器的输出信号，使其达到分析测量系统所要求的幅度范围，同时尽可能减少谱形畸变并提高能量分辨率
提高信号噪声比 减少堆积和基线涨落 减小径迹亏损 提高抗幅度过载能力

8 谱仪放大器中的常用技术 谱仪放大器中的常用技术 滤波成形技术：采用一次微分和三次到四次积分滤波成形电路，提高信号噪声比
基线恢复技术：在高计数率情况下，信号堆积和隔直电容充放电会引起的基线漂移使谱线变宽、分辨率变坏、峰位移动，因此需要引进基线恢复器 堆积拒绝技术：在高计数率条件下脉冲堆积的影响将是十分严重的，导致能量分辨率变差、能量畸变，采用堆积拒绝电路，剔除堆积信号

9 谱仪放大器的基本特性 增益及稳定性 线性 噪声及信号噪声比 幅度过载特性 计数率过载特性 上升时间 输入阻抗和输出阻抗

10 放大器的增益及稳定性 放大器增益：定义当输入足够宽的矩形脉冲或阶跃电压时，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：

11 放大器的增益及稳定性 放大器的放大倍数取决于放大器输出幅值和后续分析测量设备所要求的信号大小
从前置放大器输出信号的幅度范围从毫伏到伏数量级，因此对谱仪放大器的增益要求为几千倍到几倍，并要求可调

12 放大器的增益及稳定性 放大器的增益稳定性是放大器在连续使用的时间内由于环境温度的变化，电源变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度
增益稳定性会使测量到的能谱产生畸变，实验结果误差增大，高分辨谱仪系统一般要求增益相对稳定性小于0.1%，增益的温度系数小于0.01%/oC 提高增益稳定性主要采用深度负反馈方法，负反馈愈深即愈大，增益的稳定性也就愈好

13 放大器的线性 放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和输出信号幅度之间的线性程度
对于理想的放大器，其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，其斜率为其增益 实际上，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，通常分为积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）

14 放大器的线性：积分非线性 放大器的积分非线性INL定义为： [ΔVo]max表示在输出从0到范围内 实验点与拟合直线之间的差值 最大值；
积分非线性直接影响到能量刻度误差及使峰位发生偏移

15 放大器的线性：微分非线性 放大器的微分非线性DNL定义为： 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
微分非线性描述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

16 放大器的线性：非线性的改善 放大器的非线性产生的主要原因： 非线性的改善方法：
放大器内部晶体管，场效应管和运算放大器等非线性元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 非线性的改善方法： 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

17 放大器的噪声和信噪比 放大器输出信息由信号、噪声和干扰等组成
干扰信号是外部的，可以通过各种方法减到最小 噪声是由前置放大器输出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定的，一般放大器输入端的噪声只要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，使能量分辨率变坏，因此需要采用合适的滤波成形电路来限制频带，抑制噪声

18 放大器的幅度过载特性 放大器工作超出线性范围较小时放大器还能正常工作，只是非线性系数变大；而当超出范围很大时放大器在一段时间内就不能正常工作，这种现象称为放大器的幅度过载，也成为阻塞 引起过载的脉冲成为过载脉冲，这一段不能恢复正常工作的时间成为放大器的死时间

19 放大器的幅度过载特性 引起过载的原因主要与放大器的耦合电容充放电有关
抗过载性能可用“过载恢复时间”来表示，其定义为：在给定过载程度的条件下，放大器输出波形回到基线并保持在基线附近，从而使小信号增益回到正常时所需要的时间 过载恢复时间越短，抗过载性能越好

20 放大器的幅度过载特性 幅度过载引起的下冲还与放大器成形电路的时间常数及输入信号的脉冲宽度有关
因此在一定的成形时间常数下，过载脉冲幅度可由最大线性输入幅度的倍数来衡量，过载恢复时间则以不过载时脉冲宽度的倍数来衡量

21 放大器的计数率过载特性 在能谱测量中可以发现，当信号脉冲的计数率发生变化时，所测得的能谱也会发生变化
当计数率很低时，能谱随着计数率的改变可以忽略 当计数率增高时，基线涨落和偏移会造成谱线展宽和位移 在高计数率条件下，由于信号堆积会造成谱线严重畸变，谱峰展宽，峰位偏移，甚至出现假峰 定义使谱线峰位移动1%位置时的计数率为放大器的最高计数率

22 放大器的计数率过载特性 在放大器中，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 计数率过载性能的改善方法
加入适当地微分电路使输出脉冲变窄 使用极零相消电路消除脉冲下冲 引入基线恢复电路和堆积拒绝电路

23 放大器的上升时间 探测器输出的信号通常有快的前沿和缓慢下降的后沿，上升时间主要对信号的前沿而言
上升时间过大，输入信号会产生畸变，使信号幅度变小 上升时间过小，则电路变得很复杂，并增加了电路本身的噪声 放大器输出信号的性能，取决于成形滤波电路，所以放大节上升时间必须比成形滤波电路的上升时间要小得多

24 放大器的上升时间 上升时间和频带的关系为： 为获得较快的上升沿，就需要有相应较宽的频带
采用负反馈可以有效的提高放大节的上升时间，但当放大器输出端的分布电容Cs较大时，由于Cs并不参与负反馈，此时上升时间为2.2RoCs，主要由Cs决定

25 放大器的上升时间 若单个放大节的上升时间为tr0，则对于具有n个放大节的放大器系统，其上升时间tr可写为：
当前端滤波成形电路输出信号的上升时间为trs时，为避免放大器的上升时间影响信号幅度，则要求tr远小于trs，即要求：

26 放大器的输入阻抗和输出阻抗 对放大器输入阻抗大小的要求，取决于信号源的内阻大小
放大器的输出阻抗则取决于后续电路的要求，通常放大器输出阻抗小一些好，以便能适应在不同幅度情况下工作 为与输出电缆匹配使用，输出阻抗一般取50Ω左右

27 放大器的组成：基本放大节 谱仪放大器除了放大信号之外还要完成滤波成形的功能，这就需要若干级微分和积分电路，并且这些电路之间一般还要求有隔离节
同时在一个大的放大单元内，加以深度负反馈时很容易引起振荡 因此一个谱仪放大器一般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

28 放大器的组成：基本放大节 单元放大节组成：通常是由一个高增益的运算放大器（由分立元件或者集成电路组成）和一个反馈网络组成
放大器的很多指标在很大程度上取决于单元放大节的指标优劣

29 放大器的组成：基本放大节 在每个放大节内总是直流耦合，因而放大节的内部参数不会影响滤波器的微分和积分时间参数
但是如果放大节的高频特性较差，也就是说上升时间较大时，相当于加一个RC积分电路，这就使滤波器的时间参数受放大节内部性能的影响，这样会难于调节时间常数，也易引起滤波性能不稳定

30 放大器的组成：基本放大节 为了避免这种情况发生，就要求谱仪放大器总的上升时间tr较小，如果谱仪放大器由几节组成，则每节上升时间tr0应远小于整体放大器总的上升时间 若要求tr小于100ns，当n=5时，tr0必须小于45ns，即单个放大节的带宽需大于8MHz 为保持谱仪放大器的稳定，要求单个放大节的开环增益在100倍以上，闭环增益在5~10倍，稳定性需优于0.1%

31 放大器的组成：基本放大节 通常输入放大节要适应输入极性变化和阻抗匹配的要求，还要考虑过载特性和低噪声，由于这些性能不能通过负反馈的方法来解决，因此还必须附加一些电路 输出放大节由于信号幅度范围大，要求有较大的线性范围，此外还需要考虑输出阻抗和匹配 在谱仪放大器中，一般有几节都是相同结构和形式的放大节，对不同的要求可以在电路上采取一些措施

32 实际谱仪放大器简介 实际谱仪放大器 由差分-共基-共集组成的并联负反馈放大单元

33 实际谱仪放大器简介 第一级由T1、T2组成差分放大器，有利于抑制干扰，并可由开关S来控制输入信号加入到同相端或反向端，实现正负极性转换

34 实际谱仪放大器简介

35 实际谱仪放大器简介 输入节由第一放大节和极零相消电路组成，采用共射放大器组态 放大节由第二、第三放大节组成，实现增益的粗调
积分电路采用二次有源积分和二次无源积分电路，实现准高斯滤波，并利用直流负反馈来稳定其工作点 开关K1和K2用来选择输入电阻、正负极性、微分时间常数、放大倍数、积分时间常数等