第三章譜儀放大器第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四基線恢復(fù)原理基線偏移現(xiàn)象堆積存在使信號的基線發(fā)生漲落無尾堆積的系列脈沖通過CR網(wǎng)絡(luò)時

由于電容器上電荷在放電時間內(nèi)，未能把充電的電荷放光，那么在下一個脈沖到達(dá)時，電容器上的剩余電荷將引起這個新出現(xiàn)脈沖的基線偏移。結(jié)果使能譜峰位移動及能量分辨率變壞，在高計數(shù)率時尤為突出脈沖寬度越窄引起的基線偏移也越小，微分電路可以明顯改善基線的偏移。第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四基線恢復(fù)原理設(shè)想有一種元件或電路，能跟蹤基線的變化，在信號到達(dá)之前，隨時隨地記錄當(dāng)前的基線電平，一旦信號到達(dá)，它能完成該信號（包括基線電平）減去信號到達(dá)前瞬間的基線電平的功能，從而得到真正的信號電平，這就是基線恢復(fù)器的基本原理。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四理想基線恢復(fù)器電容作為基線電平記憶元件，信號未到達(dá)時，開關(guān)S閉合，等于基線電平。一旦信號加入，信號通過控制器使S打開，因為：

為基線電平，為信號，則

實際上這種理想基線恢復(fù)電路是很難實現(xiàn)的，通常采用一些較簡單辦法來近似模擬這一理想系統(tǒng)，其基本原則是：信號出現(xiàn)之前電容能盡可能跟蹤基線電平；當(dāng)信號一出現(xiàn)，保持不變。

第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四CD基線恢復(fù)器最簡單的基線恢復(fù)器是由電容和二極管構(gòu)成，二極管D近似起到開關(guān)S的作用，D的導(dǎo)通或截止取決于V2

的正或負(fù)。此電路對于單極性正輸入信號，其基線電平為負(fù)值，具有一定基線恢復(fù)功能，它使二極管D起到開關(guān)的作用，對于負(fù)信號，就起不到基線恢復(fù)作用。實際上二極管D不是理想開關(guān)，導(dǎo)通時存在一定正向電阻，而截止時存在有限的阻抗值。V2V1第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四為了進(jìn)一步減小正向電阻，可采用如圖所示的有源CD基線恢復(fù)器。把二極管作為運算放大器反饋元件，使D的等效正向電阻為，而反向電阻仍為。

CD基線恢復(fù)器第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四CD基線恢復(fù)器的缺點：它只適應(yīng)單極性信號，若信號存在下沖，下沖過后基線恢復(fù)器的速度很慢（以時間常數(shù)恢復(fù)）；基線迅速上升時，（即基線變化速率較大時）由于時間常數(shù)不是十分小，因而C上電壓跟不上基線變化，造成在一段時間內(nèi)輸出電壓還會疊加上一定基線電平，因而在基線變化速率不大時才能比較好地發(fā)揮作用。CD基線恢復(fù)器第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四無源CDD恢復(fù)電路無源CDD基線恢復(fù)電路：針對CD基線恢復(fù)器的只適應(yīng)單極性缺點，提出了CDD基線恢復(fù)器（又稱羅賓遜基線恢復(fù)器）其原理如圖。V1=Vs+VbV2=V1-Vc當(dāng)Vc=Vb，

V2=Vs

恒流源恒流源第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四無源CDD恢復(fù)電路在時，、均勻?qū)?，并平均地分別流過I2

電流，流過C的電流為0，Vc保持不變。一旦輸入端基線發(fā)生變動，例如Vb上升，就會使V2

上升，導(dǎo)致D1截止，輸入端對C充電，充電電流為I2

，Vc的上升速率為I2/C

，充電到Vc=Vb為止。基線被記憶在電容器C上面。反之V1

的基線下降，引起V2

下降，導(dǎo)致D2截止，電流源對電容器C以I2

大小的電流進(jìn)行反向充電，也就是電容器C向輸入端放電，放電速率也為I2/C

，直到C上電壓Vc=Vb

的基線電平相等時為止。因此無論的基線向任何方向變動，經(jīng)過時間，就可使輸出電平為零第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四它與理想的基線恢復(fù)器差別在于:記憶住基線電平所需時間不是零而時間。對于信號（例如是正信號），在信號持續(xù)期間內(nèi)，對電容器C也要進(jìn)行充電，在電容器上建立電壓為?V=TwI2/C

，其中為信號寬度。這與理想基線恢復(fù)器也存在一定差別（理想情況下），輸出信號平頂有一定下降。信號一結(jié)束，在時間內(nèi)將充在電容上的電荷放掉。輸出端恢復(fù)到零電平。無源CDD恢復(fù)電路第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四無源CDD恢復(fù)電路下圖為在基線電平緩慢變化①和快速變化②兩種情況下V1、Vc和V2上波形示意圖。從此圖中可以看出，基線電平緩慢變化時，電容器C上電壓基本上跟蹤著基線電平變化，因而輸出端V2(t)基線保持在零電平，而信號平頂有△Vc的下降，信號結(jié)束后拖有寬度為Tw的反向尾部；但是如果基線電平突變時，對應(yīng)在突變處會出現(xiàn)一個正或負(fù)的脈沖，只要基線電平的變化速度dVb/dt<<I2/C，就滿足了緩慢變化條件第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四CDD基線恢復(fù)實際電路第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四CDD基線恢復(fù)實際電路恒流源I1恒流源I2第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四D1和D2采用高頻對管（封裝在一個管殼內(nèi)），T1和T2分別均為恒流發(fā)生電路。可以看出這一類的基線恢復(fù)器在脈沖過后至少要大于Tw時間（Tw為脈沖寬度）才能恢復(fù)到原來的基線，這樣電路計數(shù)率容量受到限制。為了加快電路恢復(fù)速度，用非對稱充放電使I1＝kI2，k>>1，以加大在恢復(fù)時間內(nèi)流過電容器C的電流。在有信號時以I1充電，信號消失后以（K－1）I2/C的放電速度恢復(fù)到原來的基線，這樣可以使在信號間隔接近它的寬度時，也不會發(fā)生基線的偏移。由于電路的不對稱性，它只適用于一種極性的輸入信號，輸入信號還要通過極零相消電路消除信號的反向下沖，否則由于反向下沖的存在，它可能產(chǎn)生假脈沖而恢復(fù)到原來基線的時間也較長。CDD基線恢復(fù)實際電路第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四開關(guān)型基線恢復(fù)器其原理如右圖所示。信號未加入時，S閉合，V1基線慢變化對C充電，充電電流為I，速度為I/C，取I足夠大值，使C上電壓能來得及跟上V1基線慢的變化。一旦信號輸入，觸發(fā)控制器，使S斷開，充電電流為I1，取I1<<I，因此在信號持續(xù)時間Tw內(nèi)C上電壓變化很小，不產(chǎn)生幅度損失。一旦信號結(jié)束，S又閉合，在信號持續(xù)時間內(nèi)電荷迅速泄放掉。但這種電路也只適用于單極性信號。

第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四跨導(dǎo)放大器：增益為電導(dǎo)?？鐚?dǎo)放大器特性曲線第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四有源基線恢復(fù)器原理圖第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四基線恢復(fù)器一般加在譜儀放大器后幾級或最后，它不改變譜儀放大器輸出波形，就可以恢復(fù)信號尾堆積引起的基線偏移和抑制各種慢變化引起的基線偏移。譜儀放大器由于加了基線恢復(fù)器后它的噪聲也會有所增加。在恢復(fù)器工作時，基線恢復(fù)的時間很短，在這一段恢復(fù)時間內(nèi)，基線恢復(fù)器輸入時間常數(shù)很小，信號來到前的瞬間，耦合電容C被噪聲充電，該噪聲和脈沖信號峰值處的噪聲疊加，結(jié)果該噪聲增大，這是我們不希望的。在要求噪聲很低的條件下，門控基線恢復(fù)器能減少這種影響，不過這樣基線恢復(fù)器電路復(fù)雜，調(diào)節(jié)也麻煩一些?；€恢復(fù)器對信噪比的影響與放大器濾波成形電路時間常數(shù)，噪聲轉(zhuǎn)角時間常數(shù)以及恢復(fù)時間常數(shù)等參量有關(guān)。它可以通過實驗來調(diào)節(jié)時間常數(shù)，得到較好的信噪比。在設(shè)計和選用基線恢復(fù)器時，要注意能適應(yīng)各種實驗條件，在清除基線偏移的同時減小低頻干擾，并避免信噪比的退化。基線恢復(fù)器第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二通用譜儀放大器作為半導(dǎo)體探測器譜儀或正比計數(shù)器譜儀的主放大器第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四L1延遲線將信號延遲0.6us單DL（Delay-Line）成形電路原理vivivi輸出信號信號相加vivo反相放大器將信號反相第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四§5高能量分辨率高計數(shù)率譜儀放大器提高計數(shù)率，也就提高了實驗效率，降低實驗成本，避免系統(tǒng)長時間漂移和穩(wěn)定的影響。在線性放大，濾波成形，基線恢復(fù)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了堆積拒絕電路技術(shù)。反堆積譜儀放大器一、堆積拒絕方法判斷是否發(fā)生堆積；剔除堆積信號；給出堆積標(biāo)志信號。第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四T>tW-tM:

兩個信號幅度都無畸變；tM>T>0:

兩個信號發(fā)生前沿堆積，幅度都畸變了；tW-tM>T>tM:

發(fā)生后沿堆積，后一個信號幅度畸變了。第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、單元功能電路1、線性門組成堆積拒絕電路的單元電路第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四線性門是傳輸信號的一個門電路，其作用在控制信號（門控信號）作用下，可以有兩個狀態(tài)。在門控信號的開門電平作用下，線性門開放，脈沖信號以最小畸變通過線性門，傳輸系數(shù)為一常數(shù)，通常取1。在門控信號關(guān)門電平作用下，線性門關(guān)閉，脈沖信號無法通過線性門，即它的傳輸系數(shù)為0。線性門可以用來對信號作時間上的篩選，其基本示意圖如下圖所示：第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四線性門電路分為常閉式和常開式兩種：常閉式為平時輸入端信號不能傳送到輸出端。一旦有門控信號加入時，輸入信號線性地被傳送到輸出端；常開式為平時可以將輸入信號線性地傳送到輸出端，一旦信號傳送之后門控信號加入，關(guān)閉傳送途徑，待門控信號消失之后，門又開放，恢復(fù)到常態(tài)。常閉式常開式第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電阻二極管線性門原理圖電阻二極管線性門原理圖，開門時：開關(guān)S斷開（在位置2），在有正信號輸入時，二極管D截止，信號通過電阻R傳送，圖中RL為負(fù)載電阻，，

關(guān)門時:開關(guān)S閉合（在位置1），電流源I的電流通過D，，只要

條件滿足D始終導(dǎo)通，輸出端被鉗位在零電平附近。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四具體電路，其中T1和T2組成一個電流開關(guān)，T3、T4為開關(guān)控制電路。第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四集成線性門電路CD4066第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四邏輯展寬電路第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四邏輯展寬電路靜態(tài)時，V1為高電平，A點亦處于高電平，電容器C被充到高電平，RS觸發(fā)器輸出端為低電平。當(dāng)V1下降到低電平時，A點亦下降到低電平，G的S端成為高電平（即M輸出端），V2為高電平輸出。輸入信號結(jié)束后，D處于截止?fàn)顟B(tài)，電流源對電容C充電，Va線性上升，一直到A點電壓達(dá)到M（與非門）的門檻電平時，G的S端變?yōu)榈碗娖剑藭rG才從0態(tài)返回1態(tài)。輸出信號寬度就是電容器從低電平上升到使M的輸入端達(dá)到門檻地點平所需的時間T。假如在電容器未被充電到使G翻轉(zhuǎn)時有第二個信號到達(dá)，電容器上電壓有被重新拉到低電平，在此信號結(jié)束之后電流源又重新給電容充電，繼續(xù)拉長一個寬度時間。（見圖中所示幾點波形圖）此電路展寬時間T可通過調(diào)節(jié)恒流源的電流來實現(xiàn)。

第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四峰展寬電路

在處理核信號過程中時常需要把信號的幅度信息保存起來以便在需要的時候提供使用。模擬展寬電路就可以把信號的幅度展寬一直到需要使用時為止，還可以在模擬信號幅度達(dá)到峰值時給出峰值檢測信號。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四模擬展寬器的原理圖在輸入信號V1上升階段，輸出信號Va隨著V1上升而上升，一直跟隨到的V1峰值，此后Va保持不變，保持一定時間之后才迅速返回到零，保持期間（展寬）的寬度可以加以控制。第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四有源峰展寬器在V1信號上升時，Vf信號電平使控制開關(guān)S斷開，電容上電壓Vc通過二極管D充電跟隨V1上升，當(dāng)V1到達(dá)峰值之后，D截止，電容C無放電通路（圖中放大器A1和A2均有很高輸入阻抗），因而Vc保持不變，V2也保持不變。一直到Vf上升到高電平，開關(guān)S閉合，C經(jīng)電流源放電回到靜態(tài)電平，放大器A2起到與負(fù)載電路之間隔離的作用。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四堆積拒絕電路堆積拒絕原則堆積拒絕電路原理死時間校正和允許最高計數(shù)率第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四堆積判棄原則對峰堆積的處理方法首先要能夠隨時發(fā)現(xiàn)峰堆積，通常是設(shè)法判別信號的時間間隔是否過小，堆積是否發(fā)生，然后將發(fā)生峰堆積的信號剔除，不予放大和記錄，這樣雖然會損失一定的計數(shù)，但可以校正，這種技術(shù)稱為堆積拒絕（或稱為堆積排除，堆積舍棄，反堆積）。對一個信號是否發(fā)生堆積要有一個判別的標(biāo)準(zhǔn)。以一個信號脈沖為觀察脈沖，如果后一個脈沖峰部前沿落在觀察脈沖的達(dá)峰時間上產(chǎn)生的峰堆積稱為前堆積，這時兩個脈沖幅度都產(chǎn)生畸變，都應(yīng)該舍去。如果前一個脈沖峰部后沿落在觀察脈沖的達(dá)峰時間上產(chǎn)生的峰堆積稱為后堆積，這樣前一個脈沖信號幅度沒有畸變，而觀察脈沖幅度畸變了，對前一個脈沖應(yīng)該分析，而觀察脈沖應(yīng)該舍去。當(dāng)然這時觀察脈沖峰部前沿在前一個脈沖達(dá)峰時間后面。第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四峰堆積后的輸出波形第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四堆積拒絕電路原理框圖第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四從堆積判棄電路分析中知道在監(jiān)察信號的時間T內(nèi)，如果再有信號輸入都要被舍棄，因此監(jiān)察時間就是堆積判棄電路所產(chǎn)生的死時間，這個死時間內(nèi)不能記錄輸入信號。計時電路就不應(yīng)把這個時間計入測量時間，而應(yīng)從總的測量時間中扣除這個死時間得到活時間，由于測到的總計數(shù)除以活時間就是信號計數(shù)率，這種辦法稱為死時間校正。雖然堆積信號被舍棄，但其計數(shù)損失得到了校正。死時間校正和允許最高計數(shù)率T(死時間)監(jiān)察時間第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四邏輯展寬電路對每一個信號都要給出持續(xù)時間為一個監(jiān)察周期的信號輸出，當(dāng)在監(jiān)察周期T內(nèi)又出現(xiàn)的信號可以再維持一個監(jiān)察信號的寬度。輸入信號的計數(shù)率增高到1/T

時，監(jiān)察周期的持續(xù)時間可以一直持續(xù)下去，即死時間也一直持續(xù)下去，使可以記錄到的信號趨近于0。所以：對堆積判棄電路來執(zhí)行堆積信號判別時，對輸入的計數(shù)率有一定的要求。如果計數(shù)率過高，則輸出計數(shù)率反而更小，所需要的測量時間更長。死時間校正和允許最高計數(shù)率T小，死時間小T

大，死時間大T太大，全為死時間第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四幅度拒絕方法：模擬方法第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四加入堆積拒絕電路后高計數(shù)率條件下能譜分辨率明顯得到改善第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四快放大器快放大器概述快電流放大器快電壓放大器

第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四概述快放大器是指上升時間很小或者說頻帶很寬的放大器上升時間一般在納秒量級，帶寬在300MHZ以上，增益在幾倍到幾十倍。實現(xiàn)快放大器應(yīng)該注意：放大元件（如三極管、運放）應(yīng)該有很高的截止頻率

f=fT/A電路的時間常數(shù)小，包括負(fù)載RC和分布RC注意防止振蕩和寄生反饋快放大器分為快電流放大和快電壓放大。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四概述電流放大：在小分辨時間，高計數(shù)率，快定時及時間甄別等系統(tǒng)中，快放大器往往是不可缺少的。由于探測器形成的電流時間遠(yuǎn)比電荷在輸出回路積分電容上形成的電壓時間要小得多，即形成的電流脈沖寬度很窄，因而可以克服高計數(shù)率而引起的信號堆積現(xiàn)象，所以電流放大器一定是快放大器。電壓放大：一般來說，它的輸入阻抗Ri很大，由于分布電容的影響，探測器輸出的信號到達(dá)電壓放大器輸入端時，脈沖信號變得很慢，放大器響應(yīng)速度再快也無現(xiàn)實意義了。當(dāng)用特征阻抗為50Ω的電纜與電壓放大器相連時，為使信號不失真，都用50Ω電阻并聯(lián)電壓放大器的輸入端來實現(xiàn)與50Ω電纜相匹配，從而提高電壓放大器的速度，使之也能成為放大快信號的放大電路?？梢姴扇∫欢ǖ拇胧┖蟮碾妷悍糯笃饕部梢猿蔀榭旆糯笃鳌５谖迨屙?，共六十八頁，編輯于2023年，星期四并聯(lián)負(fù)反饋快電流放大器第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四此電流放大器：

可調(diào)電容C為一補償電容，用來調(diào)節(jié)輸出信號前沿特性。用這種組態(tài)的放大節(jié)，上升時間可達(dá)到1ns左右。還有其它組態(tài)的并聯(lián)負(fù)反饋快電流放大器，如共基共射組態(tài)，共射共基組態(tài)等。并聯(lián)負(fù)反饋快電流放大器第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電壓負(fù)反饋快電壓放大器第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四上圖為一個二級電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大節(jié)，負(fù)反饋通過Rf在T1管射極獲得。此放大器有較大的開環(huán)增益，其閉環(huán)增益為：此放大節(jié)選擇較高的截止頻率的晶體管（1GHZ）可使增益為10倍時上升時間為1ns。這類快放大器多采用串聯(lián)反饋模式，以提高輸入阻抗，使輸入阻抗僅決定于輸入端的無源電阻。因為傳輸快放大器的信號多采用同軸電纜，輸入端需接有與電纜特性阻抗相等的匹配電阻，以防反射引起信號前沿振蕩（一般匹配電阻為50Ω），為了不使輸入級的輸入阻抗影響電纜匹配，多采用輸入阻抗較高的輸入級。電壓負(fù)反饋快電壓放大器第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四弱電流放大器弱電流放大器概述電阻式弱電流放大器第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四弱電流放大器概述在放射性強度測量中，常采用積分電離室，它的輸出電流與射線的強度成正比，測量此電流值就可獲得放射性強度大小的信息。在劑量儀器和同位素應(yīng)用技術(shù)中放射性強度測量是經(jīng)常被采用的方法。但是電離室輸出的電流一般是10-7—10-15安培量級的慢變化電流（近似為直流電流），測量這樣微弱的電流需采用弱電流放大器。

例如電離室輸出電流，光電倍增管輸出電流及加速器輸出的帶電粒子的束流，其電流一般在10-5—10-15A，甚至更小一些地微弱電流。當(dāng)在測量10-9A電流時，通常用的磁電式電流計就十分困難。所以弱小電流的測量就不能用磁電式電流計，必須用高輸入阻抗的特殊器件如靜電計管，場效應(yīng)管等組成的弱電流放大的電路。第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四弱電流測量的原理：使弱電流在一個高電阻上產(chǎn)生可觀的壓降，測量此壓降，可得知電流的大小，例如10-9A的電流在109Ω電阻上即可產(chǎn)生1伏的壓降。但是測量這1伏的壓降并不容易，因為把