核电子学第7课前置放大器

1、核电子学与核仪器作业讲解作业讲解n1.31.3请看课本第请看课本第6-86-8页；页；n1.51.5、1.71.7、1.111.11请看黑板。请看黑板。第二章关键点第二章关键点n前置放大器的作用与分类前置放大器的作用与分类 作用作用：提高信噪比、减少外界干扰的影响、：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、实现阻抗转换合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配和匹配 分类分类：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前：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置放大器、电流灵敏前置放大器n电荷灵敏前置放大器的特性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

2、、输出变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上升时间及其稳定性、计数率效应脉冲上升时间及其稳定性、计数率效应第二章关键点第二章关键点n电荷灵敏前置放大器的噪声分析电荷灵敏前置放大器的噪声分析 串联噪声、并联噪声；串联噪声、并联噪声；a噪声、噪声、b噪声、噪声、c噪噪声声n电压灵敏前置放大器的结构与特点电压灵敏前置放大器的结构与特点n电流灵敏前置放大器的结构域特点电流灵敏前置放大器的结构域特点本堂课主要内容：本堂课主要内容：n一、概述一、概述1.11.1放大器在核测量系统中的作用放大器在核测量系统中的作用1.21.2谱仪放大器的框图介绍谱仪放大器的框图介绍1.31.3放大器基本参数及其测量方法

3、放大器基本参数及其测量方法1.41.4其它类型的一些放大器其它类型的一些放大器n二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节2.12.1放大节的结构放大节的结构2.22.2分立元件构成的放大节电路介绍分立元件构成的放大节电路介绍2.32.3集成运算放大器构成的放大节电路集成运算放大器构成的放大节电路一、概述一、概述n1.1放大器在核测量系统中的作用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析测量设备的要求要求。所以还需要进一步。所以还需要进一步放大成形放大成形，在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出在放大

4、和成形的过程中必须严格保持探测器输出的的有用信息有用信息。这样一个放大成形的任务就由。这样一个放大成形的任务就由放大放大器器来完成。来完成。放大器在测量系统中的位置放大器在测量系统中的位置 一、概述一、概述n1.1放大器在核测量系统中的作用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，必放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求，必须解决须解决两个问题两个问题，一个是把小信号放大到需要的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幅度；另一个是改造信号的形状。前置放大器输出波形前置放大器输出波形 通过通过RC微分电路后的波形微分电路后的波形 一、概述一、概述n1

5、.2谱仪放大器介绍谱仪放大器介绍 随着探测器的发展，对放大器的要求随着探测器的发展，对放大器的要求越来越高越来越高，往，往往要求放大器对总的能量分辨率的往要求放大器对总的能量分辨率的影响影响不超过不超过万分万分之几之几，因此对放大器引起，因此对放大器引起能量畸变能量畸变的各种因素都要的各种因素都要加以考虑。加以考虑。简单谱仪放大器原理框图简单谱仪放大器原理框图一、概述一、概述n1.2谱仪放大器介绍谱仪放大器介绍 为提高为提高信噪比信噪比，采用，采用滤波成形电路滤波成形电路，一般采用，一般采用一次微分一次微分和三到四次积分和三到四次积分滤波成形电路。在计数率高的时候，引滤波成形电路。在计数率高的

6、时候，引入入堆积拒绝电路堆积拒绝电路和和基线恢复电路基线恢复电路。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法放大倍数及其稳定性放大倍数及其稳定性 放大器的放大倍数放大器的放大倍数取决于取决于前置放大器输出前置放大器输出幅值幅值和后和后续分析测量设备所续分析测量设备所要求要求的信号大小。的信号大小。 放大器的放大器的放大倍数稳定性放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时是放大器在连续使用的时间内由于间内由于环境的变化环境的变化，电源电压变化电源电压变化等因素导致放等因素导致放大器倍数的大器倍数的不稳定程度不稳定程度。其结果是使测量到的能谱。其结果是使测量到的能谱产生

7、产生畸变畸变，实验误差增大实验误差增大。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法放大倍数及其稳定性放大倍数及其稳定性 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性最有效的方法最有效的方法是采用是采用深度负深度负反馈反馈，负反馈愈深，即，负反馈愈深，即AoF愈大，放大倍数的稳定愈大，放大倍数的稳定性越好。性越好。 对于谱仪放大器的放大倍数对于谱仪放大器的放大倍数定义定义为：用阶跃电压或为：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，在一定的信号，在一定的成形电路时间常数成形电路时间常数条件下，条件下，输

8、出脉输出脉冲和输入脉冲幅度之比冲和输入脉冲幅度之比。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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 放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和输出信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。号幅度之间的线性程度。在谱仪中的放大器，对线在谱仪中的放大器，对线性要求性要求特别高特别高，应保证在允许的信号幅度范围内，应保证在允许的信号幅度范围内，对于不同输入信号幅度，放大倍数应对于不同输入信号幅度，放大倍数应保持不变保持不变。 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

9、出信号幅度变化而有一个入信号或者输出信号幅度变化而有一个微小的变化微小的变化。当这个变化超过允许的数值时，就会给能谱测量带当这个变化超过允许的数值时，就会给能谱测量带来来不允许的畸变不允许的畸变。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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 理想的反放大器幅度特性是一条通过原点的直线。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实际上放大器总是存在着非线性非线性。通常把非线性分。通常把非线性分为为积分非线性与微分非线性积分非线性与微分非线性。 积分非线性（积分非线性（INL）定义：）定义： maxmax100%ooV

10、INLV 一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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 微分非线性（微分非线性（DNL）：）： /1 100%/oioiVVDNLVV微分非线性给出放大器在不同的输出幅度时放大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，会使能谱产倍数的变化。由于存在微分非线性，会使能谱产生畸变。生畸变。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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 产生非线性的产生非线性的原因原因是放大器中所用的是放大器中所用的器件器件（如晶体（如晶体管和运算放大器等）的管和运算放大器等

11、）的参数参数随着工作电流或电压变随着工作电流或电压变化而化而变化变化，从而使放大倍数也随着变化。改善放大，从而使放大倍数也随着变化。改善放大器线性的器线性的方法方法，可以简单的归结为：，可以简单的归结为： （1）合理选择工作点合理选择工作点，在输入信号作用下尽可能，在输入信号作用下尽可能减少工作电流的变化；减少工作电流的变化； （2）采用负反馈方法采用负反馈方法，它可以使放大器非线性减，它可以使放大器非线性减少到原来的少到原来的1/(1+AoF)。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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的噪声和信噪比 放大器输出信息中，总是由放大器

12、输出信息中，总是由信号、噪声和干扰信号、噪声和干扰组成组成。干扰信号干扰信号是外部的，可以通过各种方法减少到最小。是外部的，可以通过各种方法减少到最小。对于对于噪声噪声是由前置放大器噪声和放大器输入端自身的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的噪声前置放大器输出端的噪声小一个数量级小一个数量级就能满足条件。就能满足条件。 在具体使用放大器时还应考虑在具体使用放大器时还应考虑信噪比信噪比，由于核辐射探，由于核辐射探测器输出信号较小，噪声叠加在有用信号上，会使能测器输出信号较小，噪声叠加在

13、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量分辨率变坏，因此如何提高信噪比就成为重要问题重要问题。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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的幅度过载特性 放大器工作有一个放大器工作有一个线性范围线性范围，当超出线性范围时，就要产，当超出线性范围时，就要产生生两种情况两种情况：超过线性范围较小时，放大器还能正常工作；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。作。这种现象就称为放大器的这种现象就称为放大器的幅度过载幅度过载

14、，不能正常工作的，不能正常工作的时间就称为放大器的时间就称为放大器的死时间死时间。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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一般的讲，引起过载的原因主要与放大器中的耦合耦合电容充放电有关电容充放电有关，其解决的办法有：，其解决的办法有： （1）应尽可能采用直流耦合应尽可能采用直流耦合，从根本上消除电容充放，从根本上消除电容充放电的现象；电的现象； （2）当有耦合电容时，从电路上）当有耦合电容时，从电路上采用差分输入形式采用差分输入形式可可以具有良好的抗过载性能。以具有良好的抗过载

15、性能。 （3）使输入脉冲变窄使输入脉冲变窄，从而缩短电容充放电时间；，从而缩短电容充放电时间； （4）在输入端加一级）在输入端加一级限幅电路限幅电路来限制过载脉冲。来限制过载脉冲。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法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的幅度过载特性 抗过载性能可用抗过载性能可用“过载恢复时间过载恢复时间”来表示。其定义：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并保持在基线附近最大额定输出电压1%的一个带内，的一个带内，小信号增益已回到正常时所需要的

16、时间。小信号增益已回到正常时所需要的时间。然而，由于然而，由于过载引起的下冲还与放大器的过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数成形电路时间常数、输输入脉冲宽度入脉冲宽度有关，故通常是在一定成形时间常数下，有关，故通常是在一定成形时间常数下，抗过载性能的表示：抗过载性能的表示：规定过载脉冲幅度为最大线性输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。多少倍来度量。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法放大器的计数率过载特性放大器的计数率过载特性 在能谱测量中，当信号脉

17、冲的计数率在能谱测量中，当信号脉冲的计数率从小到大变化从小到大变化时，所测到的能谱也会发生时，所测到的能谱也会发生变化变化。当计数率很低时，。当计数率很低时，随着计数率改变，能谱变化很小，可以忽略。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，由于高计数率条件下，由于信号堆积信号堆积造成了谱线严重的造成了谱线严重的畸变畸变。反映在测量结果中，。反映在测量结果中，谱峰展宽，峰的位置发谱峰展宽，峰的位置发生偏移，甚至出现假峰生偏移，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放大器中

18、，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的畸变称为放大器的计数率过载。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法放大器的上升时间放大器的上升时间 探测器输出的信号通常有探测器输出的信号通常有快的前沿快的前沿和和缓慢下降的后缓慢下降的后沿沿，上升时间主要对信号的前沿而言的上升时间主要对信号的前沿而言的，放大器的，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，一则电路变得很些不利因素，一则电路

19、变得很复杂复杂，二则增加了电，二则增加了电路本身的路本身的噪声噪声，因此需要有一个，因此需要有一个合理的选择合理的选择。 放大器输出信号的形状，取决于放大器输出信号的形状，取决于成形滤波电路成形滤波电路，所，所以放大节上升时间必须比滤波成形电路的上升时间以放大节上升时间必须比滤波成形电路的上升时间小小得多。得多。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法放大器的上升时间放大器的上升时间 滤波成形电路的上升时间一般最小为几百滤波成形电路的上升时间一般最小为几百ns，故要求，故要求放大节的上升时间放大节的上升时间小于小于100ns。 当有多个放大节时，放大器的上升

20、时间为：当有多个放大节时，放大器的上升时间为：22212rrrrntttt0.35rft 上升时间与带宽的关系：上升时间与带宽的关系： 快的上升时间相应有宽的频带，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常因此核测量用的脉冲放大器通常是一个宽带放大器，而采用负反是一个宽带放大器，而采用负反馈是提高放大节上升时间很有效馈是提高放大节上升时间很有效的方法。的方法。一、概述一、概述n1.3放大器的基本参量及测量方法放大器的基本参量及测量方法其它类型的一些放大器其它类型的一些放大器 (1)偏置放大器偏置放大器 (2)快脉冲放大器快脉冲放大器 快脉冲放大器是放大特别快的信号，往往要求在时间

21、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。信息方面使用。 (3)弱电流放大器弱电流放大器 弱电流放大器是放大非常小而变化又非常缓慢的信号。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二、谱仪放大器的放大节n2.1放大节的结构放大节的结构 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要单元是几个放大节放大节。放大节通常由一个。放大节通常由一个高增益高增益的的运算放大器运算放大器和一个和一个反馈网络反馈网络组成。组成。放大器的很多指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标在很大程度上

22、取决于单元放大节指标的优劣，所，所以放大节的选择是很重要的。以放大节的选择是很重要的。 放大节的要求可归结为：放大节的要求可归结为：放大倍数及其稳定性放大倍数及其稳定性、线线性性、上升时间和过载特性上升时间和过载特性等。在谱仪放大器中，改等。在谱仪放大器中，改善指标的有效办法是善指标的有效办法是采用负反馈方法采用负反馈方法。在放大节的。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负反馈放大节。二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.1放大节的结构放大节的结构 谱仪放大器中最常用的反馈形式是谱仪放大器中最常用的反馈形式是

23、电压并联负反馈电压并联负反馈和和电压串联负反馈电压串联负反馈两种。两种。fRAR ifRR 1oofoRRA F 并联负反馈并联负反馈 增益增益 输入阻抗输入阻抗 输出阻抗输出阻抗 二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.1放大节的结构放大节的结构1fRAR(1)ifioRRA F1oofoRRA F 增益增益 输入阻抗输入阻抗 输出阻抗输出阻抗 串联负反馈串联负反馈 由于负反馈作用，放大倍数的稳定性提高了由于负反馈作用，放大倍数的稳定性提高了(1+AoF)倍，非倍，非线性也得到改善，缩小了线性也得到改善，缩小了(1+AoF)倍。所以要改善放大节的倍。所以要改善放大节的性能，首要问题

24、是提高负反馈深度性能，首要问题是提高负反馈深度AoF。二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.1放大节的结构放大节的结构 放大器中自身的噪声大小也是很重要的，从理论上说，放大器中自身的噪声大小也是很重要的，从理论上说，无反馈放大器能获得最低的噪声无反馈放大器能获得最低的噪声。为了降低噪声，除。为了降低噪声，除了对输入级的器件作严格的了对输入级的器件作严格的挑选挑选外，在电路接法上也外，在电路接法上也需要注意。需要注意。信号从反相端输入信号从反相端输入 fSRAR 1fnRAR 二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.1放大节的结构放大节的结构1fnRAR 1fSRAR 信号

25、从同相端输入信号从同相端输入 信噪比对比：信噪比对比： fSfSARARR 1nnAA 二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.2分立元件构成的分立元件构成的 放大节电路放大节电路（1）采用差分放大器）采用差分放大器作为输入级，可以提高作为输入级，可以提高电路的抗过载性能。电路的抗过载性能。二、谱仪放大器的放大节二、谱仪放大器的放大节n2.2分立元件构成的分立元件构成的 放大节电路放大节电路（2）采用交直流分开的）采用交直流分开的负反馈。从交流反馈来负反馈。从交流反馈来看是电压串联负反馈，看是电压串联负反馈，故具有电压串联反馈的故具有电压串联反馈的一切优点。一切优点。二、谱仪放大器的放大节