第7章内容

第七章谱仪放大器和弱电流放大器本章讨论用于射线能量分析的谱仪放大器和用于射线强度分析的弱电流放大器。

在时间分析中通常要使用快放大器——宽带放大器，这类放大器的一些具体电路及分析可参阅资料[1-4]；低噪声快放大器则可见本书第五章第三节中关于低噪声电流灵敏前置放大器的讨论。

第一节谱仪放大器7.1.1 概述如第五章图5-1-1所示，测量核辐射用的脉冲放大器常分为前置放大器与主放大器两部分。

用于脉冲幅度分析、亦即射线能量分析的主放大器称为谱仪放大器，其作用是将前置放大器输出信号加以放大和滤波成形。

显然，这种放大器输出信号的幅度与输入信号的幅度应保持正比关系，即放大器的幅度特性具有良好的线性。

鉴予这一特点，这种放大器又称为线性脉冲放大器或线性放大器。

图7-1-1是谱仪放大器的方框图。

图中极性选择开关适应不同极性的输入，例如正脉冲或负脉冲输入时，通过选择开关都可输出正极性脉冲。

微分网络和积分网络构成放大器的滤波成形电路。

微分网络通常是具有极零相消的C-R微分网络；积分网络可以是无源的，也可以是有源的，后者还可能同时兼有放大作用。

因为放大器为一线性系统，所以微分网络以及积分网络的前后位置不改变放大器对信号———————[1]Harbort Stelzer，Nucl.Iustr.and Meth.，133，409（1976）.[2]M.Moore et al.，Nucl.Iustr.and Meth.，115，181（1974）.[3]J.S.Lunsford，Rev.Sci.Instr.，35，1483（1964）[4]C.J.Rush，Rev，Sci.Instr.，35，149（1964）1)谱仪放大器——Spectroscopy amplifier.的响应。

但是在计数率高时，为了防止信号堆积的电压过高而使放大器超出其线性工作范围，微分网络应靠近放大器的输入端。

从噪声性能考虑，则微分网络宜靠近输出端，因为这样可以衰减它前面所有电路在输出端产生的低频噪声。

不过，整个前置放大器-主放大器系统的噪声主要是前置放大器中噪声源的贡献，微分网络在主放大器中的位置对这一系统噪声的影响通常可以忽略不计。

通常谱仪放大器除包括放大和滤波成形电路外，往往还有其它信号处理电路和辅助电路，如堆积判弃电路、定时信号输出电路、基线恢复器等，这些电路将在以后有关的章节讨论。

7.1.2 谱仪放大器的放大节谱仪放大器应具有良好的线性和增益稳定性。

为此，必须在放大电路中使用很深的负反馈。

通常一个负反馈放大单元内不能包括许多放大级，否则将产生振荡，因而其开环增益的数值受到一定限制，负反馈较深时闭环增益也就较小。

所以，放大器总是由若干个具有深度负反馈的放大单元(常称为放大节或放大环)串联起来完成放大作用。

本节将讨论放大节的主要特性和基本电路。

1．放大节的主要特性除了信号成形方面的有关特性以外，谱仪放大器的其它特性都由放大节的特性决定。

不过，放大器某一方面的特性可能要由某一个或某几个放大节来保证，因而对不同放大节的要求也可能有较大的差别。

①增益及其稳定性如前所述，反馈放大节的负反馈很深，因而闭环增益较小，其值一般在4-10左右，少数可至20-30。

增益的温度稳定性多优于0.01%／℃。

②过渡特性在谱仪放大器中，被放大的信号需要根据不同要求进行滤波成形。

为了保证滤波成形后信号的形状和稳定性，这种滤波成形作用应当仅由放大器中滤波成形电路的过渡特性决定，而不应受放大节过渡特性的影响。

通常滤波成形后脉冲的上升时间不小于几百毫微秒，因此放大器放大部分总的上升时间必须比这一数值小得多，例如不超过100 ns。

如果放大器由nns。

一般放大节的上升时间大约在十几至几十ns之间。

⑨线性线性是输出放大节的主要特性之一。

输出节输出信号的幅度最大，此外，当负载电阻较小时输出电流较大，因而在各放大节中输出节产生的非线性失真最严重。

实际上输出节的非线性决定了整个放大器的非线性，其值一般在0.1％左右。

④其它输入放大节应具有较小的噪声。

此外，当考虑信号从远距离传送至输入端时，其输入电阻最好能与传输电缆匹配，否则电缆始端必须匹配。

输出放大节反馈环的输出电阻应当足够小。

这样既可直接提供低阻输出，串接适当电阻后又可为传输电缆提供匹配输出。

输出节反馈环的输出电阻一般不难作到1Ω以下。

2．放大节的基本电路谱仪放大器中放大节电路的基本形式是共射(或差分)-共基-射极输出构成的串联或并——————————1)增益的定义见7.1.4。

联负反馈放大环。

这种结构的主要优点是稳定性好(不易振荡)，开环增益高。

图7-I-2(a)所示是FH1002A谱仪放大器中输入放大节的简化电路。

T1，T2构成输入差分放大级。

T2为共基放大级，它减小T1放大级的密勒效应，改善了电路的稳定性和过渡特性，．共集电极负载是自举电路构成的高阻负载，因而有较高的增益。

输出级为T4、T5组成的互补射极输出器，可对正、负极性的输出脉冲都有良好的过渡特性。

K2为极性选择开关，当置于上方时，反馈方式为并联负反馈，输出脉冲与输入脉冲反相，置于下方时为串联负反馈，输出脉冲与输入脉冲同相。

因此无论输入脉冲的极性是正还是负，都可根据需要选择K2的位置，获得正或负的输出脉冲。

K1为输入电阻选择开关，置于左方时，输入电阻约为560Ω，置于右方时约为5 0 Ω。

放大节的增益约等于7。

图7-1-2(b)所示是2020型谱仪放大器中放大节的简化电路。

T3，T4为并联的共基极放大管，为了提高开环增益，以高输入阻抗的源极输出器作为它们的公共集电极负载。

放大节的增益约等于30。

7.1.3 谱仪放大器的实际电路FH 1002A谱仪放大器主要用作半导体谱仪、闪烁谱仪或正比计数管谱仪的主放大器。

整个放大器由A1-A5五个负反馈放大节和滤波成形电路组成，如图7-l-3所示。

滤波成形电路包括一级极零相消CR微分电路和四级RC积分电路。

五个负反馈放大节电路基本相同。

第一放大节的电路如图7-1-2(a)所示，其输入级采用差分电路，以便通过开关K2完成前述极性选择作用。

其余放大节A2-A5中，均使用单管放大器作第一级。

放大器输出电平基本为零电平，便于和下级(例如脉冲幅度分析器)直流偶合，为谱仪在高计数率下工作提供了条件。

为了稳定输出端直流电平，自放大节A5输出端至A3输入端加有直流负反馈。

7.1.4 谱仪放大器的技术指标1．增益谱仪放大器的增益(放大倍数) 定义为：输入阶跃电压或足够宽的矩形脉冲电压时，输出脉冲幅度与输入脉冲幅度之比。

不同探测器的输出信号经前置放大器放大后，其幅度多在—————[1]指标的测量方法可参阅Test procedures for amlifiers and preamplifiers for semiconductor detectors for ionizing radiation，International Electrotechnical Commission，Publicaton 340，1979.mV —V 量级，而幅度分析器最大分析幅度大约为5—10V ，所以通用谱仪放大器的增益应当是可调的，调节范围一般为几倍至几千倍。

2． 噪声谱仪放大器是一种电压放大器，因此，其噪声指标用折合到输入端的等效噪声电压表 示。

设谱仪放大器的增益为A ，在输入端不接前置放大器时测得输出噪声电压有效值为V no ， 则等效输入噪声电压有效值0n ni V V A= 其数值可用有效值 (均方根值) 电压表测量。

V ni 与滤波成形电路的参数有关，所以在给出 这一指标时，应注明相应的测量条件。

为了提高谱仪的分辨率，谱仪放大器的噪声贡献一般应比前置放大器的噪声贡献小得 多。

因为前置放大器具有放大作用，所以实际上不难满足这一要求。

例如，对于S i(L i)谱 仪系统，如前置放大器的噪声线宽FWH M E =200 eV ，反馈电容C f =0.2 p F ，则其输出端的 等效噪声电压，亦即贡献给谱仪放大器输入端的等效噪声电压为f eFWHM 19(2.36)V WC µ=，其中e 为电子电荷，W =3.6eV 为电离能。

设谱仪放大器本身的等效输入噪声电压为5μV ，考虑到总噪声均方压为上述两项噪声均方压噪声之和，则这谱仪放大器本身噪声对总噪声的贡献不超过5％。

有关噪声电压测量的注意事项可参阅5.2.5，2中的叙述3． 线性在测量射线能谱时，实际上测量的是谱仪放大器输出信号的幅度谱()n M M d f V dV =，其中 V M 为信号幅度、dn MdV 为单位幅度范围内的计数率，然后通过标定的能量-幅度曲线确定射 线的能谱dn ()f E dE =，式中E 为能量，dn dE为单位能量范围内的计数率。

据第四章分析可 看出，放大器的积分非线性造成能量E 与幅度M V 之间的非线性，而微分非线性则造成dn MdV 与dn dE 之间的非线性。

例如，幅度谱中两个峰的高度相同(即峰位处dn MdV 相同)时，并不一定表示与这两个峰相对应的单位能量范围内的计数率dn dE也相同。

积分非线性与微分非线性之间有内在的联系，对于谱仪放大器，通常只用积分非线性来 表征放大器线性的好坏，其值一般在0.1％左右，最大输出幅度一般不小于10V 。

测量谱仪放大器积分非线性的关键在于准确测定输入信号v i 的幅度V i 和输出信号v o的幅度V 0。

在放大器的增益为A 时，V i 为0V A，当A 比较大时难于将V i 侧准。

通常是将精密信号发生器的输出信号v 1 衰减成v i 再输入放大器（图7-1-4a ）,1i V V K =，通常取，K ≈A ，通过测量V 1即可确定V i 。

为了测定V 0相对于V i 的线性，目前常用电桥法。

如图7-l-4(a)，使被测放大器处于反 向输出状态，即增益为－A 0。

精密信号发生器无衰减输出端的信号v 1加到电桥的一端，衰减后的信号v i 加到被测放大器输入端，放大器输出信号v o (V 0 =A V i )加到电桥的另一端。

电桥的电阻臂R 1-R 2(通常取10k Ω左右)。

电桥的输出信号v s 加到示波器。

为避免示波器过载，加入了二极管限幅电路。

示波器由v i 进行外触发，以便于测量。

测量时，先将被测放大器调到所需的增益和成形电路时间常数。

调v 1使V 1达到放大器额定最大输出幅度0max ()V 。

然后仔细调节信号发生器的衰减器或放大器的增益(细调)，使 v 1、v o 在v o 峰值处的瞬时值的绝对值相等(图7-1-4 b)，此时v s 的瞬时值为零。

但是，由于 v 1和v o 前后沿形状不同，除在v o 峰值处外，v o 前后沿部分使v s 产生很大的负向下冲(当v 1为负信号时)。