基線(xiàn)恢復(fù)器-開(kāi)關(guān)型基線(xiàn)恢復(fù)器課件

1、譜儀放大器中的基線(xiàn)恢復(fù)器 開(kāi)關(guān)型基線(xiàn)恢復(fù)器電路 專(zhuān)業(yè)：核技術(shù)及應(yīng)用 學(xué)號(hào)：2007020516 試講人：張子良參考資料核輻射探測(cè)器與核電子學(xué) 成都理工大學(xué) 賴(lài)萬(wàn)昌編著核電子學(xué) 原子能出版社 王經(jīng)瑾等編著模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 康華光編著放大器常用類(lèi)型：譜儀放大器：用于核輻射能譜儀中信號(hào)放大，一般在前置放大器之后，稱(chēng)之為主放大器快放大器：用于時(shí)間測(cè)量或高計(jì)數(shù)率條件下信號(hào)放大弱電流放大器：用于強(qiáng)度測(cè)量中計(jì)數(shù)積累效應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)的放大放大器在核測(cè)量系統(tǒng)中的作用 前置放大器的功能是解決和探測(cè)器的配合以及對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行初步放大和處理，但是前置放大器輸出的脈沖幅度和波形并不適合后面分析測(cè)量設(shè)備如

2、單道分析器和多道分析器等，所以對(duì)信號(hào)還需要進(jìn)一步放大和成形，在放大和成形的過(guò)程中必須嚴(yán)格保持探測(cè)器輸出的有用信息如射線(xiàn)的能量信息和時(shí)間信息，盡可能減少它們的失真，這樣一個(gè)放大和成形任務(wù)由主放大器來(lái)完成。 其在測(cè)量系統(tǒng)中的具體位置如下圖所示：放大器在測(cè)量系統(tǒng)中的位置 前放 放大器 探測(cè)器分析測(cè)量?jī)x器高壓輻射源譜儀放大器的原理方框圖譜儀放大器的基本功能放大來(lái)自前置放大器輸出的信號(hào)，使其達(dá)到分析測(cè)量系統(tǒng)所要求的幅度范圍。成形與濾波。用來(lái)盡可能減少譜形畸變和提高能量分辨。這包括提高信噪比、減少堆積和基線(xiàn)漲落、減小徑跡虧損和提高抗幅度過(guò)載能力等方面，以滿(mǎn)足物理實(shí)驗(yàn)的需要。 放大器基本參量增益及穩(wěn)定性線(xiàn)性

3、噪聲及信號(hào)噪聲比幅度過(guò)載特性計(jì)數(shù)率過(guò)載特性上升時(shí)間輸入阻抗和輸出阻抗 放大器的增益及穩(wěn)定性放大器增益 定義當(dāng)輸入足夠?qū)挼木匦蚊}沖或階躍電壓時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅度之比為放大器的增益或放大倍數(shù)。 放大器的放大倍數(shù)取決于放大器輸出幅值和后續(xù)分析測(cè)量設(shè)備所要求的信號(hào)大小，從前置放大器輸出信號(hào)的幅度范圍從毫伏到伏數(shù)量級(jí)，而模數(shù)變換系統(tǒng)要求輸入幅度達(dá)5伏或10伏范圍，因此對(duì)譜儀放大器的增益要求為幾千倍到幾倍，并要求可調(diào)。 放大器增益穩(wěn)定性 放大器的增益穩(wěn)定性是放大器在連續(xù)使用的時(shí)間內(nèi)由于環(huán)境溫度的變化，電源變化等因素導(dǎo)致放大器放大倍數(shù)的不穩(wěn)定程度。其結(jié)果是使測(cè)量到的能譜產(chǎn)生畸變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差增大。 高

4、分辨譜儀系統(tǒng)在環(huán)境變化或長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)一般要求增益相對(duì)穩(wěn)定性 為0.1%或更小，增益的溫度系數(shù) 在0.01%C左右。 當(dāng)電源變化1%時(shí)，增益變化應(yīng)小于0.05%. 提高增益穩(wěn)定性主要采用深度負(fù)反饋方法，使開(kāi)環(huán)增益與反饋系數(shù)之積 很大，負(fù)反饋愈深即 愈大，增益的穩(wěn)定性也就愈好。 back積分非線(xiàn)性（INL）定義放大器的積分非線(xiàn)性為 表示在輸出從0到范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與擬合直線(xiàn)之間的差值最大值。 為最大輸出額定信號(hào)幅度。 積分非線(xiàn)性直接影響到能量刻度誤差及使峰位發(fā)生偏移。微分非線(xiàn)性（DNL）定義放大器的積分非線(xiàn)性為 是指實(shí)際測(cè)量到的放大器 輸出 特性曲線(xiàn)上某處的斜率，也就是放大器的放大倍數(shù)。 微分非線(xiàn)性給

5、出了放大器在不同的輸出幅度時(shí)放大倍數(shù)的變化，由于存在微分非線(xiàn)性，會(huì)使能譜產(chǎn)生畸變。 放大器噪聲和信噪比放大器輸出信息由信號(hào)，噪聲和干擾組成。干擾信號(hào)是外部的，可以通過(guò)各種方法減到最小。噪聲是由前置放大器輸出噪聲和放大器輸入端自身的噪聲所決定的，一般放大器輸入端的噪聲只要比前置放大器輸入端的噪聲小一個(gè)量級(jí)就可以滿(mǎn)足要求。由于核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)較小，噪聲疊加在有用信號(hào)上，使能 量分辨率變壞(前置放大器的噪聲功率譜密度為 ) ，因此在放大器內(nèi)部采用合適的濾波成形電路來(lái)限制頻帶，就能抑制噪聲。 back計(jì)數(shù)率過(guò)載特性在能譜測(cè)量中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)率從小到大變化時(shí)，所測(cè)得的能譜也會(huì)發(fā)生變化。計(jì)

6、數(shù)率增高會(huì)引起基線(xiàn)漲落和偏移，造成譜線(xiàn)展寬和位移。 當(dāng)計(jì)數(shù)率很低時(shí)，隨著計(jì)數(shù)率的改變，能譜變化很小，可以忽略； 當(dāng)計(jì)數(shù)率越大時(shí)，譜線(xiàn)發(fā)生的變化就愈嚴(yán)重； 在高計(jì)數(shù)率條件下，由于信號(hào)堆積造成了譜線(xiàn)嚴(yán)重的畸變，反映測(cè)量結(jié)果中，譜峰展寬，峰的位置發(fā)生偏移，甚至出現(xiàn)假峰。在放大器中，由于計(jì)數(shù)率過(guò)高引起的脈沖幅度分布的畸變稱(chēng)為放大器的計(jì)數(shù)率過(guò)載。定義放大器的最高計(jì)數(shù)率為使譜線(xiàn)峰位移動(dòng)1位置時(shí)的計(jì)數(shù)率。計(jì)數(shù)率過(guò)載性能改善。在放大器內(nèi)部加入適當(dāng)?shù)貫V波成形電路如微分電路可以使輸出脈沖變窄，極零相消電路可以消除脈沖的下沖。為克服高技術(shù)率引起的能譜畸變，譜儀放大器中引入了基線(xiàn)恢復(fù)電路和堆積拒絕電路。 back放大

7、器的上升時(shí)間探測(cè)器輸出的信號(hào)通常有快的前沿和緩慢下降的后沿，上升時(shí)間主要對(duì)信號(hào)的前沿而言的。 放大器的上升時(shí)間過(guò)大，會(huì)使輸入信號(hào)產(chǎn)生畸變，結(jié)果信號(hào)幅度變小了； 放大器的上升時(shí)間非常小，則使電路變得很復(fù)雜，同時(shí)增加了電路本身的噪聲。放大器輸出信號(hào)的性能改裝，取決于成形濾波電路，所以放大節(jié)上升時(shí)間必須比成形濾波電路的上升時(shí)間要小得多。上升時(shí)間和頻帶的關(guān)系為： 快的上升時(shí)間相應(yīng)有寬 的頻帶，采用負(fù)反饋使提高放大節(jié)上升時(shí)間很有效的方法。當(dāng)輸出端分布電容很大時(shí)，由于輸出端分部電容不參加負(fù)反饋，電壓負(fù)反饋只能降低阻抗 ，不能減小輸出端分部電容這時(shí)上升時(shí)間為 ， 為輸出阻抗。 基本放大節(jié)定義：一個(gè)譜儀放大器

8、一般由若干個(gè)負(fù)反饋放大單元串接組成，每個(gè)放大單元稱(chēng)為一個(gè)放大節(jié)。不采用一個(gè)大的放大單元而采用若干放大節(jié)串接的原因： 譜儀放大器除了放大信號(hào)之外還要完成濾波成形的功能，需要若干級(jí)微分和積分電路，這些電路之間一般要求有隔離節(jié)； 同時(shí)由于一個(gè)大的放大單元內(nèi)，加以深度負(fù)反饋時(shí)很容易引起振蕩。放大節(jié)組成：通常是由一個(gè)高增益的運(yùn)算放大器（由分立元件或者集成電路組成）和一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)組成。實(shí)際上放大器很多指標(biāo)在很大程度上取決于單元放大節(jié)的指標(biāo)的優(yōu)劣。放大節(jié)在頻帶上的要求：內(nèi)部參數(shù)不會(huì)影響濾波器的時(shí)間參數(shù)。 由于一個(gè)放大節(jié)內(nèi)總是直流耦合，因而不會(huì)影響微分和積分時(shí)間常數(shù)，但是如果高頻特性較差，也就是說(shuō)上升時(shí)間較大

9、時(shí)，相當(dāng)于加一個(gè)RC積分電路，這就使濾波器的時(shí)間參數(shù)受放大節(jié)內(nèi)部性能的影響，這樣會(huì)難于調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)，也易引起濾波性能不穩(wěn)定。為了避免這種情況發(fā)生，要求整體放大器總的上升時(shí)間不大于0.1ms。如果譜儀放大器由幾節(jié)組成，則每節(jié)上升時(shí)間應(yīng)小于，相當(dāng)于帶寬為10MHZ。對(duì)每節(jié)開(kāi)環(huán)增益要求在100倍以上，閉環(huán)增益在510倍，穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1%。 FH1002A譜儀放大器輸入節(jié)工作原理 上圖為譜儀放大器輸入節(jié)簡(jiǎn)化電路，它是一個(gè)差分-共基-共集組態(tài)并聯(lián)負(fù)反饋放大單元。 第一級(jí)采用差分放大，有利于抑制干擾；而在FH1002A的其它節(jié)中，第一級(jí)用共射放大器代替差分放大器。第一級(jí)采用差分放大器另一個(gè)好處可以方便進(jìn)

10、行極性轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)K2可控制輸入信號(hào)加入到同相端或反相端，由此來(lái)完成正負(fù)極性轉(zhuǎn)換。 第二級(jí)采用共基電路是為了減小第一級(jí)輸入端由于米勒效應(yīng)引起的輸入電容增加，是提高頻帶的一個(gè)措施。 第三級(jí)為一互補(bǔ)式射隨器，有較大動(dòng)態(tài)輸出范圍，第二級(jí)的集電極負(fù)載采用了第三級(jí)輸出端的自舉正反饋，以提高其負(fù)載阻抗，增加開(kāi)環(huán)增益，此放大節(jié)開(kāi)環(huán)增益在1000倍以上，閉環(huán)增益為7倍。 其原理圖共有5個(gè)放大節(jié)組成，包括有下列幾部分： 輸入節(jié)（包括極性轉(zhuǎn)換極，零相消電路）； 放大節(jié)（增益可粗調(diào)）； 積分電路（二次有源積分和二次無(wú)源積分）。 因而它是一個(gè)準(zhǔn)高斯型濾波電路。圖中類(lèi)似于上圖中的放大節(jié)，差別在于輸入級(jí)采用共射放大器而不是

11、差分放大器；最后三節(jié)直流耦合，再用直流負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定其工作點(diǎn)；圖中用來(lái)選擇輸入電阻，分別為50W和560.2W（正輸入時(shí)為940W）；為極性選擇開(kāi)關(guān)。用作微分時(shí)間常數(shù)選擇，進(jìn)行極零相消調(diào)節(jié)，用作放大倍數(shù)粗調(diào)，為放大倍數(shù)粗調(diào)，用作積分時(shí)間選擇，放大器全部元件組裝在一個(gè)雙插寬插件上。注：1）與各分七檔，圖中僅畫(huà)出時(shí)間常數(shù)最小的兩檔； 2）與同調(diào)（增益粗調(diào)）； 3）為增益細(xì)調(diào)電位器。幾種時(shí)變和非線(xiàn)性電路 基線(xiàn)恢復(fù)器邏輯展寬器模擬展寬器線(xiàn)性門(mén)我們都知道，濾波器既具有一定的頻率響應(yīng)，就必然具有一定的沖擊響應(yīng)。因而在時(shí)域里，濾波器能使輸出信號(hào)有一定的波形，這個(gè)稱(chēng)為信號(hào)的成形。核能譜測(cè)量的要求：成行電路具有一

12、定的頻率響應(yīng)和沖擊響應(yīng)，幅度信息可能發(fā)生畸變，從而使能量分辨率變壞。尾部：系統(tǒng)中存在隔直流電路等大時(shí)間常數(shù)電路時(shí)，沖擊響應(yīng)具有緩慢的恢復(fù)。尾部堆積會(huì)引起明顯的基線(xiàn)偏移。那么基線(xiàn)基線(xiàn)恢復(fù)器就是消除基線(xiàn)偏移和漲落，改善能量分辨率基線(xiàn)恢復(fù)原理 基線(xiàn)偏移現(xiàn)象堆積存在使信號(hào)的基線(xiàn)發(fā)生漲落無(wú)尾堆積的系列脈沖通過(guò)CR網(wǎng)絡(luò)時(shí) 由于電容器上電荷在放電時(shí)間內(nèi)，未能把充電的電荷放光，那么在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，電容器上的剩余電荷將引起這個(gè)新出現(xiàn)脈沖的基線(xiàn)偏移。結(jié)果使能譜峰位移動(dòng)及能量分辨率變壞，在高計(jì)數(shù)率時(shí)尤為突出脈沖寬度越窄引起的基線(xiàn)偏移也越小，微分電路可以明顯改善基線(xiàn)的偏移?；€(xiàn)恢復(fù)原理 基線(xiàn)恢復(fù)原理 設(shè)想有一種元

13、件或電路，能跟蹤基線(xiàn)的變化，在信號(hào)到達(dá)之前，隨時(shí)隨地記錄當(dāng)前的基線(xiàn)電平，一旦信號(hào)到達(dá)，它能完成該信號(hào)（包括基線(xiàn)電平）減去信號(hào)到達(dá)前瞬間的基線(xiàn)電平的功能，從而得到真正的信號(hào)電平，這就是基線(xiàn)恢復(fù)器的基本原理。理想基線(xiàn)恢復(fù)器 電容作為基線(xiàn)電平記憶元件，信號(hào)未到達(dá)時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，等于基線(xiàn)電平 。一旦信號(hào)加入，信號(hào)通過(guò)控制器使S打開(kāi)，因?yàn)?為基線(xiàn)電平， 為信號(hào)，則 實(shí)際上這種理想基線(xiàn)恢復(fù)電路是很難實(shí)現(xiàn)的，通常采用一些較簡(jiǎn)單辦法來(lái)近似模擬這一理想系統(tǒng)，其基本原則是：信號(hào)出現(xiàn)之前電容能盡可能跟蹤基線(xiàn)電平；當(dāng)信號(hào)一出現(xiàn)，保持不變。 backCD基線(xiàn)恢復(fù)器最簡(jiǎn)單的基線(xiàn)恢復(fù)器是由電容和二極管構(gòu)成，二極管D近似起到

14、開(kāi)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(duì)于單極性正輸入信號(hào)，其基線(xiàn)電平為負(fù)值，具有一定基線(xiàn)恢復(fù)功能，它使二極管D起到開(kāi)關(guān)的作用，對(duì)于負(fù)信號(hào)，就起不到基線(xiàn)恢復(fù)作用。 實(shí)際上二極管D不是理想開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通時(shí)存在一定正向電阻，而截止時(shí)存在有限的阻抗值，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(xiàn)恢復(fù)器。把二極管作為運(yùn)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 。 backCDD基線(xiàn)恢復(fù)器CD基線(xiàn)恢復(fù)器的缺點(diǎn)： 它只適應(yīng)單極性信號(hào)，若信號(hào)存在下沖，下沖過(guò)后基線(xiàn)恢復(fù)器的速度很慢（以 時(shí)間常數(shù)恢復(fù)）； 基線(xiàn)迅速上升時(shí)，（即基線(xiàn)變化速率較大時(shí)）由于 時(shí)間常數(shù)不是十分小，因

15、而C上電壓跟不上基線(xiàn)變化，造成在一段時(shí)間內(nèi)輸出電壓 還會(huì)疊加上一定基線(xiàn)電平，因而在基線(xiàn)變化速率不大時(shí)才能比較好地發(fā)揮作用。 無(wú)源CDD恢復(fù)電路無(wú)源CDD基線(xiàn)恢復(fù)電路： 針對(duì)CD基線(xiàn)恢復(fù)器的只適應(yīng)單極性缺點(diǎn)，提出了CDD基線(xiàn)恢復(fù)器（又稱(chēng)羅賓遜基線(xiàn)恢復(fù)器），其原理見(jiàn)圖。V1=Vs+VbV2=V1-Vc當(dāng) Vc=Vb ，_ V2=Vs 電路工作原理在 時(shí)， 、 均勻?qū)?，并平均地分別流過(guò)I2 電流，流過(guò)C的電流為0，Vc保持不變。一旦輸 入端基線(xiàn)發(fā)生變動(dòng)，例如Vb上升，就會(huì)使V2 上升，導(dǎo)致 D1 截止，輸入端對(duì)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(xiàn)被記

16、憶在電容器C上面。反之 V1 的基線(xiàn)下降，引起V2 下降，導(dǎo)致 D2 截止，電流源對(duì)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(xiàn)電平相等時(shí)為止。因此無(wú)論的基線(xiàn)向任何方向變動(dòng)，經(jīng)過(guò) 時(shí)間，就可使輸出電平為零電路工作原理它與理想的基線(xiàn)恢復(fù)器差別在于:記憶住基線(xiàn)電平所需時(shí)間不是零而時(shí)間 。對(duì)于信號(hào)（例如是正信號(hào)），在信號(hào)持續(xù)期間內(nèi)，對(duì)電容器C也要進(jìn)行充電，在電容器上建立電壓為 DV=TwI2/C ，其中 為信號(hào)寬度。這與理想基線(xiàn)恢復(fù)器也存在一定差別（理想情況下），輸出信號(hào)平頂有一定下降。信號(hào)一結(jié)束，在 時(shí)間內(nèi)將充在電容

17、上的電荷放掉。輸出端恢復(fù)到零電平。波形分析上圖為在基線(xiàn)電平緩慢變化和快速變化兩種情況下V1、Vc和V2上波形示意圖。 從此圖中可以看出，基線(xiàn)電平緩慢變化時(shí)，電容器C上電壓基本上跟蹤著基線(xiàn)電平變化，因而輸出端V2(t)基線(xiàn)保持在零電平，而信號(hào)平頂有Vc的下降，信號(hào)結(jié)束后拖有寬度為T(mén)w的反向尾部； 但是如果基線(xiàn)電平突變時(shí)，對(duì)應(yīng)在突變處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正或負(fù)的脈沖，只要基線(xiàn)電平的變化速度dVb/dt 1，以加大在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)流過(guò)電容器C的電流。在有信號(hào)時(shí)以I1充電，信號(hào)消失后以（K1）I2/C的放電速度恢復(fù)到原來(lái)的基線(xiàn)，這樣可以使在信號(hào)間隔接近它的寬度時(shí)，也不會(huì)發(fā)生基線(xiàn)的偏移。由于電路的不對(duì)稱(chēng)性，它只適用于一種極性的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)還要通過(guò)極零相消電路消除信號(hào)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(lái)基線(xiàn)的時(shí)間也較長(zhǎng)。 back開(kāi)關(guān)型基線(xiàn)恢復(fù)器 其原理如右圖所示。信號(hào)未加入時(shí)，S閉合，V1基線(xiàn)慢變化對(duì)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(lái)得及跟上V1基線(xiàn)慢的變化。一旦信號(hào)輸入，觸發(fā)控制器，使S斷開(kāi)，充電電流為I1，取I1I，因此在信號(hào)持續(xù)時(shí)間Tw內(nèi)C上電壓變化甚小，不產(chǎn)生幅度損失。一旦信號(hào)結(jié)束，S又閉合，在信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)電荷迅速泄放