脉冲放大器(主放大器)

()有一对极点：
p 1 ,2

2 2
1
4
2
当 时，为两相等负实数极点； 当 >时，为两不相等负实数极点；
相当于两次无源积分
当<时，为一对共轭复数极点
，则
0 0 H ( s ) K 2 K 2 ( s a j0 )( s a j0 ) ( s a ) 0
Rf Cf
-
R1 vo(t) vi(t) C
R2 (a)
-
Rf Cf
-
iD(t)
A +
iD(t)
A +
R1 vo(t) vi(t)
R2 C
Rf Cf
A +
(b) vi(t) C R3 R1 (c) R2 vo(t)
iD(t)
极零相消电路(一)
Rf Cf
-
R1 vo(t) vi(t) C R2 (a)
有源滤波成形电路（三）
1 [ sR R C ( R R )] 1 2 2 1 2 V ( s ) sC 1 H ( s ) o 1 I ( s ) sR R C ( R R ) 1 2 2 1 2 sC 1
当时，
2 sR C 2 R R s Z 2 H ( s ) 22 ( s p )( s p ) s R C C 2 sRC 1C 1 1 2 1 2 1
放大节通常由高增益的运算放大器和一个反馈 网络组成，通常采用负反馈方法。
• 不采用一个大的放大单元而采用若干放大节串接的原因： • 谱仪放大器除了放大信号之外还要完成滤波成形的功能， 需要若干级微分和积分电路，这些电路之间一般要求有隔 离节； • 同时由于一个大的放大单元内，加以深度负反馈时很容易 引起自激振荡。
VI (s)
Q 1 Cf s 1
iD(t)
A +
f
1 R C 1
2
R1R2C R1 R2
s 1 R 2 1 H ( s ) 1 1 R R 2 1// sC s 2
1 s Q1 Q 1 1 V ( s ) V ( s ) H ( s ) O I 1s 1 C 1 C fs fs
有源滤波成形电路（二）
2 V ( s ) R R o 3 4 H ( s ) 2 2 V ( s ) R s s i 4
，
1 R R C R C C 3 R 2 2 1 2 1 1 R 1R 2C 1C 2 R C R C R C 1 1 2 1 4 R 2 2
主要任务： 使输出信号的形状满足后续分析测量设备的要求 抑制系统的噪声，使系统信噪比最佳
成形电路的要求
) 系统应是线性的。 ) 成形电路宽度尽量窄，减小信号堆积。 ) 要求产生无下冲单极性信号，避免过大信号下冲使放大器进 入非线性区。 ) 成形脉冲顶部比较平坦，以免探测器收集时间变化对能量分 辨率产生影响。同时适合于接幅度分析器。 ) 成形电路尽可能简单，时间常数或脉冲宽度可以调节。 ) 时间测量中，要求信号成形电路能提供精确的时间信息，电 路与能量谱仪中有所不同。
集成运放放大节举例（二）
相位补偿 T1、T2为输出级 提供正负电源
匹配电阻
6.81 A ~5.6 f 1.21
集成运放构成的放大节电路特点（重点）
• 负反馈 • 快的上升时间 • 相位补偿
谱仪放大器的滤波成形
滤波：为了提高信噪比，在频域中滤去不想要的某 些频率。 成形：在时域中将信号成形为某种形状。
i=50s
0.8
=6s i=50s
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0 0 20 40
-0.2
t(s)
60
80
100
0
20
40
60
80
100
t(s)
危害：可能引起放大器的阻塞。
极零相消技术
在几级串联系统中，常将前级传递函数的极（零）点与后级的零 （极）点相消，这样可以达到改善输出波形，去除下冲的目的。 常用的极零相消电路有下面几种：

V ( s ) V ( s ) H ( s ) m o i m 1 1 C s ( s 1 ) C ( m 1 f f s )
由拉氏变换
n ! L [ te u ( t)] n 1 ( s )
n t

那么()滤波成形电路的输出信号为
Q t m V ( t) ( )e u ( t) o m ! C f


K 2(R 3 R 4) R4 4 2
其中
a 2
0
42
2
则通过拉氏变换得到时域中的冲击响应为
at h ( t ) Ke sin t u ( t ) 0
两个相等的负实数极 点的时域波形
调解元件参数，可获得 下冲很小、接近于 单极性的冲击响应。
100
40
60
80
100
t(s)
放大器的输入信号（即前置放大器的输出信号）有一个缓慢衰 减的后沿（一般为 ），微分后信号将具有一个与输入信号相 同大时间常数的尾部。如果输入信号幅度超过正常范围上百倍 、上千倍，过大的尾部使放大器长时间进入非线性区（幅度过 载，放大器的阻塞）。从过载输出信号产生时刻起到其基线恢 复到零的时间称为过载信号基线恢复时间。放大器发生过载要 经过相当长的时间才能恢复。 去除下冲，极零相消
f
2
2
Q t2 v t) e u (t) o( C f

输出依然为单极性脉冲，且衰减时间常数< 。 极零相消的调节范围为。
v i( t )
f=RfCf
vo ( t )
t
2=R1 R2/( R1+ R2)C< f
t
极零相消电路(二)
Rf Cf
-
A +
R1 vo(t) vi(t)
理论分析表明，当电荷灵敏前置放大器输出的阶跃脉 冲信号被成形为无限宽尖顶脉冲时，可以达到最佳信 噪比。 最佳滤波原理
谱仪放大器中滤波成形电路的最终目的就是把电荷 灵敏前置放大器输出的阶跃脉冲成形为准高斯型脉 冲，即可得到较好的信噪比，顶部还保持一定的宽 度，能满足后续分析测量电路的要求。
脉冲成形电路简介
C/2
+ A -
vo(t)
R
C
求证上面两级有源滤波器对单位阶跃信号，输出波形为无下冲 的单极性脉冲。（与()的输出波形相近，电路性能好于() ）
t t ( Vt () 2 e s i n ) u () t o
t


RC
结论：采用有共轭复数极点的有源滤波器同样可以获得准高斯波 形且所用放大器数目较少。（()有四个隔离放大器， 而上图只用两个。）
谱仪放大器的功能
主要功能是放大和成形。 放大：将前置放大器的输出信号进一步放大，以便于后 面的电路对其进行处理和分析。
成形：将前置放大器的输出信号成形为一定形状，既满 足后续分析测量设备的要求，有利于高计数率下工作， 并可以进一步提高信噪比。
谱仪放大器的放大环节
• 定义：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。
可将滤波成形与放大环节结合起来，通过设置电 路参数获得共轭极点，用较少的放大器同样 可得到准高斯型脉冲；
可获得零点，与前级电路的极点相消，可得到无 下冲的单极性输出脉冲。
小结（重点）
• 谱仪放大器的主要作用 • 放大、成形 • 谱仪放大器中放大节的特点 • 快的上升时间、负反馈、相位补偿 • 谱仪放大器中成形电路的作用 • 对前放输出信号进行成形，产生满足后续电路的 脉冲形状（准高斯） • 提高信噪比，并符合后续分析设备对信号形状的 要求。 • 谱仪放大器中成形电路的典型电路 • 要求会在复频域内对电路进行分析
• 一般的集成运放是无法满足核电子学的要求的，必须对集 成运放提出一些要求： • 上升速率：谱仪放大器的放大节要有快的上升速率； • 相位补偿：负反馈电路，在频率变化时会产生附加的相移， 可能产生自激振荡。必须进行相位补偿。
相位补偿电路
集成运放放大节举例（一）
退耦电路
输出限幅
3160 348 A ~ 10 f 348
t
(1) 输入为阶跃电压时，输出为单极性脉冲； (2) 随着的增加，脉冲幅度变小，峰位后移，脉冲宽度增加， 且峰两边趋于对称。 (3) 从信噪比和实际应用来考虑，时所成的准高斯波形已可 以满足实际的需要。
有源滤波成形
将滤波网络接在起隔离作用的放大器的 反馈网络中，则构成有源滤波器。 假设放大器具有理想的特性： 输入阻抗无限大 输出阻抗为 开环增益无穷大且与频率无关。
结论：从图可以看出， ()的峰值两侧比较对称，后沿较快 地恢复到基线。因此，在系统中设置复数极点比较容易获得前 后较对称的准高斯波形。下面将指出，只要共轭复数极点和负 实数极点配合得当，就可以获得无下冲的单极性波形。
脉冲成形电路有源滤波成形（作 业）
R C C vi(t) R
A +
R i2(t)
R i1(t)
脉冲放大器 （主放大器）
探测器 辐射源 高压
前放
主放
分析测量 设备
主放大器又称脉冲放大器 谱仪放大器（核辐射能量分析中的线性放大器） 宽带放大器（核辐射时间分析中的快放大器）
电荷灵敏前放的输出信号
堆积信号很难进行放大，因为信 号很容易使放大器阻塞而失去 放大功能，而且后面分析测量 设备也无法进行正常的分析及 处理
C
v(t)
vo(t)
tபைடு நூலகம்v(t)