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1、核电子学与核仪器,作业讲解,1.3请看课本第6-8页；1.5、1.7、1.11请看黑板。,第二章关键点,前置放大器的作用与分类 作用：提高信噪比、减少外界干扰的影响、合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配 分类：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前置放大器、电流灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器的特性 变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上升时间及其稳定性、计数率效应,第二章关键点,电荷灵敏前置放大器的噪声分析 串联噪声、并联噪声；a噪声、b噪声、c噪声电压灵敏前置放大器的结构与特点电流灵敏前置放大器的结构域特点,本堂课主要内容：,一、概述1.1放大器在核测量系统中的作用1.2谱仪放大器的框
2、图介绍1.3放大器基本参数及其测量方法1.4其它类型的一些放大器二、谱仪放大器的放大节2.1放大节的结构2.2分立元件构成的放大节电路介绍2.3集成运算放大器构成的放大节电路,一、概述,1.1放大器在核测量系统中的作用 前置放大器输出的脉冲幅度和波形并不适合后面分析测量设备的要求。所以还需要进一步放大成形，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。这样一个放大成形的任务就由放大器来完成。,放大器在测量系统中的位置,一、概述,1.1放大器在核测量系统中的作用 放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求，必须解决两个问题，一个是把小信号放大到需要的幅度；另一个是改造信号的形状。,前置放大
3、器输出波形,通过RC微分电路后的波形,一、概述,1.2谱仪放大器介绍 随着探测器的发展，对放大器的要求越来越高，往往要求放大器对总的能量分辨率的影响不超过万分之几，因此对放大器引起能量畸变的各种因素都要加以考虑。,简单谱仪放大器原理框图,一、概述,1.2谱仪放大器介绍 为提高信噪比，采用滤波成形电路，一般采用一次微分和三到四次积分滤波成形电路。在计数率高的时候，引入堆积拒绝电路和基线恢复电路。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大倍数及其稳定性 放大器的放大倍数取决于前置放大器输出幅值和后续分析测量设备所要求的信号大小。 放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时间内由于环境的变化
4、，电源电压变化等因素导致放大器倍数的不稳定程度。其结果是使测量到的能谱产生畸变，实验误差增大。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大倍数及其稳定性 提高放大倍数的稳定性最有效的方法是采用深度负反馈，负反馈愈深，即AoF愈大，放大倍数的稳定性越好。 对于谱仪放大器的放大倍数定义为：用阶跃电压或上升时间足够小，宽度足够宽的矩形脉冲作为输入信号，在一定的成形电路时间常数条件下，输出脉冲和输入脉冲幅度之比。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的线性 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。在谱仪中的放大器，对线性要求特别高，应保证在允许的信号幅度范围内
5、，对于不同输入信号幅度，放大倍数应保持不变。 但实际上，在所规定的信号幅度范围内还是随着输入信号或者输出信号幅度变化而有一个微小的变化。当这个变化超过允许的数值时，就会给能谱测量带来不允许的畸变。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的线性 理想的反放大器幅度特性是一条通过原点的直线。实际上放大器总是存在着非线性。通常把非线性分为积分非线性与微分非线性。,积分非线性（INL）定义：,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的线性 微分非线性（DNL）：,微分非线性给出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。,一、概述,1.3放大器的基本
6、参量及测量方法放大器的线性 产生非线性的原因是放大器中所用的器件（如晶体管和运算放大器等）的参数随着工作电流或电压变化而变化，从而使放大倍数也随着变化。改善放大器线性的方法，可以简单的归结为： （1）合理选择工作点，在输入信号作用下尽可能减少工作电流的变化； （2）采用负反馈方法，它可以使放大器非线性减少到原来的1/(1+AoF)。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的噪声和信噪比 放大器输出信息中，总是由信号、噪声和干扰组成。干扰信号是外部的，可以通过各种方法减少到最小。对于噪声是由前置放大器噪声和放大器输入端自身的噪声所决定的。通常考虑放大器输入端的噪声只要比前置放大器输出端
7、的噪声小一个数量级就能满足条件。 在具体使用放大器时还应考虑信噪比，由于核辐射探测器输出信号较小，噪声叠加在有用信号上，会使能量分辨率变坏，因此如何提高信噪比就成为重要问题。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的幅度过载特性 放大器工作有一个线性范围，当超出线性范围时，就要产生两种情况：超过线性范围较小时，放大器还能正常工作；当超出线性范围很大时放大器在一段时间内就不能正常工作。这种现象就称为放大器的幅度过载，不能正常工作的时间就称为放大器的死时间。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的幅度过载特性 一般的讲，引起过载的原因主要与放大器中的耦合电容充放电有关，其解决
8、的办法有： （1）应尽可能采用直流耦合，从根本上消除电容充放电的现象； （2）当有耦合电容时，从电路上采用差分输入形式可以具有良好的抗过载性能。 （3）使输入脉冲变窄，从而缩短电容充放电时间； （4）在输入端加一级限幅电路来限制过载脉冲。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的幅度过载特性 抗过载性能可用“过载恢复时间”来表示。其定义：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最大额定输出电压1%的一个带内，小信号增益已回到正常时所需要的时间。然而，由于过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数、输入脉冲宽度有关，故通常是在一定成形时间常数下，抗过载性能的表示：
9、规定过载脉冲幅度为最大线性输入幅度的多少倍，过载恢复时间则以不过载时的脉宽多少倍来度量。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的计数率过载特性 在能谱测量中，当信号脉冲的计数率从小到大变化时，所测到的能谱也会发生变化。当计数率很低时，随着计数率改变，能谱变化很小，可以忽略。 但当计数率越大时，谱线发生的变化就越严重。在高计数率条件下，由于信号堆积造成了谱线严重的畸变。反映在测量结果中，谱峰展宽，峰的位置发生偏移，甚至出现假峰。 放大器中，由于计数率过高所引起的脉冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的上升时间 探测器输出的信号通常
10、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的，放大器的上升时间过大，会使输入信号产生畸变，结果信号幅度变小。如果放大器上升时间非常小，也带来一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电路本身的噪声，因此需要有一个合理的选择。 放大器输出信号的形状，取决于成形滤波电路，所以放大节上升时间必须比滤波成形电路的上升时间小得多。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的上升时间 滤波成形电路的上升时间一般最小为几百ns，故要求放大节的上升时间小于100ns。 当有多个放大节时，放大器的上升时间为：,上升时间与带宽的关系：,快的上升时间相应有宽的频带，因此核测量用的脉冲放大器通
11、常是一个宽带放大器，而采用负反馈是提高放大节上升时间很有效的方法。,一、概述,1.3放大器的基本参量及测量方法其它类型的一些放大器 (1)偏置放大器 (2)快脉冲放大器 快脉冲放大器是放大特别快的信号，往往要求在时间信息方面使用。 (3)弱电流放大器 弱电流放大器是放大非常小而变化又非常缓慢的信号。,二、谱仪放大器的放大节,2.1放大节的结构 谱仪放大器是由许多单元电路组合而成的。其中主要单元是几个放大节。放大节通常由一个高增益的运算放大器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指标的优劣，所以放大节的选择是很重要的。 放大节的要求可归结为：放大倍数及其稳定性、线性、上
12、升时间和过载特性等。在谱仪放大器中，改善指标的有效办法是采用负反馈方法。在放大节的具体电路中都采用了负反馈的方法，所以有时也称负反馈放大节。,二、谱仪放大器的放大节,2.1放大节的结构 谱仪放大器中最常用的反馈形式是电压并联负反馈和电压串联负反馈两种。,并联负反馈,增益,输入阻抗,输出阻抗,二、谱仪放大器的放大节,2.1放大节的结构,增益,输入阻抗,输出阻抗,串联负反馈,由于负反馈作用，放大倍数的稳定性提高了(1+AoF)倍，非线性也得到改善，缩小了(1+AoF)倍。所以要改善放大节的性能，首要问题是提高负反馈深度AoF。,二、谱仪放大器的放大节,2.1放大节的结构 放大器中自身的噪声大小也是
13、很重要的，从理论上说，无反馈放大器能获得最低的噪声。为了降低噪声，除了对输入级的器件作严格的挑选外，在电路接法上也需要注意。,信号从反相端输入,二、谱仪放大器的放大节,2.1放大节的结构,信号从同相端输入,信噪比对比：,二、谱仪放大器的放大节,2.2分立元件构成的 放大节电路,（1）采用差分放大器作为输入级，可以提高电路的抗过载性能。,二、谱仪放大器的放大节,2.2分立元件构成的 放大节电路,（2）采用交直流分开的负反馈。从交流反馈来看是电压串联负反馈，故具有电压串联反馈的一切优点。,二、谱仪放大器的放大节,2.2分立元件构成的 放大节电路,（3）开环放大倍数足够大，放大节性能良好。二极管D2
14、把输出脉冲限制在一个给定数值上。电容C6作为稳压管D1的旁路电容。电容C5是调整高频的反馈量，用以得到最好的输出波形。,二、谱仪放大器的放大节,2.3集成运算放大器构成的放大节 谱仪放大器中放大节电路的各项指标要求较高，一般的集成运算放大器是无法满足其要求的。 （1）上升速率 上升速率是指在输入端作用很大的阶跃信号，由于受内部限制而导致输出电压的变化速率。集成运算放大器的瞬态特性在信号幅度不同时有很大的差别。谱仪放大器的放大节要求有快的上升速率。,二、谱仪放大器的放大节,2.3集成运算放大器构成的放大节（2）相位补偿 放大节电路中运算放大器都接成负反馈的形式，在低频时具有180的固定相移，而到反馈网络的中频和高频段时，随着频率变化会产生一个附加的相移。当相移到180 ，放大器回路增益A1时就会产生自激振荡。为了保证放大节电流稳定工作，通常都对运算放大器采用相位补偿电路。,
