2022年医学专题—脉冲放大器(主放大器).ppt

脉冲脉冲(michng)放大器放大器（主放大器）（主放大器）第一页，共六十七页。探测器分析测量设备高压前放主放辐射源主放大器又称脉冲放大器脉冲放大器谱仪放大器谱仪放大器（核辐射能量分析(fnx)中的线性放大器）宽带放大器宽带放大器（核辐射时间分析中的快放大器）第二页，共六十七页。堆积信号很难进行放大，因为信号很容易使放放大大器器阻阻塞塞(zs)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vo(t)tvo(t)tC Rv(t)ttv(t)电荷灵敏前放的输出电荷灵敏前放的输出(shch)信号信号第三页，共六十七页。放大器的输入信号（即前置放大器的输出(shch)信号）有一个缓慢衰减的后沿（一般为50s），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（幅幅度度过过载载，放放大大器器的的阻阻塞塞）。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(qch)下冲，极零相消极零相消第四页，共六十七页。谱仪放大器的功能谱仪放大器的功能(gngnng)主要功能是放大放大和成形成形。放放大大：将前置放大器的输出信号(xnho)进一步放大，以便于后面的电路对其进行处理和分析。成成形形：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。第五页，共六十七页。定义：一个谱仪放大器一般(ybn)由若若干干个个负负反反馈馈放放大大单单元元串接组成，每个放大单元称为一个放大节放大节。谱仪放大谱仪放大(fngd)器的放大器的放大(fngd)环节环节放大(fngd)节通常由高增益的运算放大器高增益的运算放大器和一个反馈反馈网络网络组成，通常采用负反馈负反馈方法。不采用一个大的放大单元而采用若干放大节串接的原因：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。第六页，共六十七页。运算放大器可以由分立元件分立元件组成，随着集成电路技术(jsh)的发展，集集成成运运算算放放大大器器在带宽、转换速率、负载等方面的性能的提高，可以用来作为核电子学仪器中的放大节，使电路设计得到简化。第七页，共六十七页。粗调细调第八页，共六十七页。核电子学中对放大核电子学中对放大(fngd)节电路的要求节电路的要求 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(shngshng)速率：谱仪放大器的放大节要有快快的的上上升升速速率率；相位补偿：负反馈电路，在频率变化时会产生附加的相移，可能产生自激振荡自激振荡。必须进行相位补偿相位补偿。相位(xingwi)补偿电路第九页，共六十七页。集成运放集成运放(yn fn)放大节举例（一）放大节举例（一）退耦电路退耦电路输出输出(shch)限幅限幅第十页，共六十七页。集成集成(j chn)运放放大节举例（二）运放放大节举例（二）相位补偿相位补偿匹配匹配(ppi)电电阻阻T1、T2为输出级为输出级提供正负电源提供正负电源第十一页，共六十七页。集成集成(j chn)运放构成的放大节电路特点（运放构成的放大节电路特点（重点重点）负反馈快的上升时间相位(xingwi)补偿第十二页，共六十七页。谱仪放大器的滤波谱仪放大器的滤波(lb)成形成形滤波：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：成形：在时域中将信号成形为某种形状。主要任务主要任务(rn wu)：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，使系统信噪比最佳第十三页，共六十七页。成形电路的要求成形电路的要求(yoqi)(yoqi)1)系统应是线性线性的。2)成形电路宽度尽量窄尽量窄，减小信号堆积。3)要求产生无无下下冲冲单极性信号，避免过大信号下冲使放大器进入非线性区。4)成形脉冲顶顶部部比比较较平平坦坦，以免探测器收集(shuj)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。5)成形电路尽可能简单尽可能简单，时间常数或脉冲宽度可以调节可以调节。6)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。第十四页，共六十七页。理论分析表明，当电荷灵敏前置(qinzh)放大器输出的阶阶跃跃脉脉 冲冲 信信 号号 被 成 形 为无无 限限 宽宽 尖尖 顶顶 脉脉 冲冲时，可 以 达 到 最 佳 信 噪 比。-最佳滤波原理谱谱仪仪放放大大器器中滤波成形电路的最终目的就是把电荷(dinh)灵敏前置放大器输出的阶阶跃跃脉脉冲冲成形为准准高高斯斯型型脉脉冲冲，即可得到较较好好的的信信噪噪比比，顶顶部部还还保保持持一一定定的的宽宽度度，能满足后续分析测量电路的要求。第十五页，共六十七页。脉冲脉冲(michng)(michng)成形电路简介成形电路简介无源(w yun)阻容滤波成形有源滤波成形第十六页，共六十七页。无源阻容滤波无源阻容滤波(lb)(lb)成形成形CR-(RC)m滤波滤波(lb)(lb)成形电路成形电路 R1=R2=.=Rm+1=R，C1=C2=.=Cm+1=C起隔离作用，减小滤波成形电路之间的相互影响最佳滤波最佳滤波(lb)原理原理：RC时间常数相同时间常数相同时信噪比最佳。A=1A=1 C1 R2 R3Rm+1vo(t)Qvi(t)R1C2C3Cm+1CfA=1第十七页，共六十七页。传递函数为传递函数为那么CR-(RC)m滤波(lb)成形电路的输出信号为由拉氏变换(binhun)第十八页，共六十七页。(1)输入为阶跃电压时，输出为单极性脉冲；(2)随着m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，m=4时所成的准高斯波形已可以(ky)满足实际的需要。第十九页，共六十七页。有源滤波有源滤波(lb)(lb)成形成形 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(sh ch z kn)为0开环增益无穷大且与频率无关。第二十页，共六十七页。结论：将(a)与无源阻容滤波(lb)成形电路相比，一次无源积分和一次有源积分，相当于两次无源积分。这样可以将积分可以将积分电路接到滤波器各级之间的隔离放大器的反馈回路中做成电路接到滤波器各级之间的隔离放大器的反馈回路中做成有源滤波器有源滤波器。有源滤波有源滤波(lb)成形电路（一）成形电路（一）第二十一页，共六十七页。，H(s)有一对有一对(y du)极点极点：有源滤波有源滤波(lb)成形电路（二）成形电路（二）当=2时，p1,2为两相等(xingdng)负实数极点；当2时，p1,2为两不相等负实数极点；相当于两次无源积分相当于两次无源积分第二十二页，共六十七页。当当 2时，时，p1,2为一对为一对(y du)共轭复数极点共轭复数极点 p1,2=-a j 0，则其中(qzhng)则通过拉氏变换得到(ddo)时域中的冲击响应为第二十三页，共六十七页。结论(jiln)：从图可以看出，h(t)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。两个相等的负实数极点(jdin)的时域波形调解元件参数(cnsh)，可获得下冲很小、接近于单极性的冲击响应。第二十四页，共六十七页。脉冲成形电路脉冲成形电路-有源滤波有源滤波(lb)(lb)成形（作业）成形（作业）求证上面两级有源滤波器对单位阶跃信号，输出(shch)波形为无下冲的单极性脉冲。（与CR-(RC)4的输出波形相近，电路性能好于CR-(RC)3）结论：采用有共轭复数极点的有源滤波器同样可以获得采用有共轭复数极点的有源滤波器同样可以获得(hud)准高斯波准高斯波形且所用放大器数目较少形且所用放大器数目较少。（CR-(RC)4有四个隔离放大器，而上图只用两个。）-A+R C R i2(t)C Rvi(t)+A-C/2C vo(t)RRi1(t)第二十五页，共六十七页。有源滤波有源滤波(lb)(lb)成形电路（三）成形电路（三）当R1=R2=R时，H(s)有一零点有一零点(ln din)Z，两个极点：，两个极点：结论：当C1C2时，p1,2为两个负实数(shsh)极点。C1C2时，p1,2为一对共轭复数极点。存在存在Z零点，可用此零点去抵消前放的零点，可用此零点去抵消前放的极点或系统内的另一个极点，以达到输出单极性脉冲的目的极点或系统内的另一个极点，以达到输出单极性脉冲的目的。第二十六页，共六十七页。有源滤波有源滤波(lb)特点（特点（重点重点）有源滤波与无源滤波相比，有下面(ximian)两个优点：1.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；2.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。第二十七页，共六十七页。小结小结(xioji)（重点重点）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(shbi)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第二十八页，共六十七页。A=1A=1 C1 R2 R3Rm+1vo(t)Qvi(t)R1C2C3Cm+1CfA=1第二十九页，共六十七页。一个指数衰减脉冲一个指数衰减脉冲(michng)经过微分电路后的波形变化情况。经过微分电路后的波形变化情况。危害：可能引起(ynq)放大器的阻塞。放大器的阻塞。-A+Rf CfCvo(t)R iD(t)vi(t)第三十页，共六十七页。极零相消技术极零相消技术(jsh)(jsh)常用的极零相消电路常用的极零相消电路(dinl)有下面几种：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(bxn)，去除下冲的目的。-A+Rf Cf R1 vo(t)C R2iD(t)vi(t)(a)-A+R1vo(t)R2CiD(t)vi(t)(b)-A+Rf CfiD(t)vi(t)(c)Cvo(t)R3R1R2 Rf Cf第三十一页，共六十七页。极零相消电路极零相消电路(dinl)(dinl)(一一)输出依然为单极性脉冲，且衰减(shuijin)时间常数2f。极零相消的调节范围为0R1C。1=f-A+Rf Cf R1 vo(t)C R2iD(t)vi(t)(a)第三十二页，共六十七页。vi(t)f=RfCf t vo(t)2=R1 R2/(R1+R2)Cf。极零相消的调节范围为0R2C。2=f-A+R1vo(t)R2CiD(t)vi(t)(b)Rf Cf第三十四页，共六十七页。vi(t)f=RfCf t vo(t)1=(R1+R2)Cf t 第三十五页，共六十七页。-A+Rf CfiD(t)vi(t)(c)Cvo(t)R3R1R2极零相消电路极零相消电路(dinl)(dinl)(三三)-)-作业作业通常R1R3，可以近似认为B点电位VB=kVi是电位器上kR3分压，其中k为R3电阻(dinz)的下半部分阻值占总阻值的比例。如何实现极零相消？调节范围有多大？(R1C)B第三十六页，共六十七页。极零相消电路极零相消电路(dinl)(dinl)总结总结 从信号成形方面来看，上面三种电路的输出均为单极单极性脉冲性脉冲，输出指数衰减信号的时间常数不同，(a)(c)可使时间常数变小(bin xio)，(b)则使时间常数变大。(a)电路比较简单，极零相消的调节范围(