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1、第四章脉冲幅度分析核数据及分析u脉冲计数u脉冲幅度分析u脉冲信号时间分析u脉冲波形甄别1脉冲幅度甄别器2单道脉冲幅度分析器3模数变换器(ADC)1SNST,LANZHOUUNIVERSITY1脉冲幅度甄别器 脉冲幅度甄别器(discriminator)的基本功能： 脉冲幅度甄别器是将幅度超过(或低于)某一设定电平的输入脉冲转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲输出，剔除此电平以下(或以上)的任何输入信号。 用途: 剔除噪声的干扰； 进行幅度选择； 脉冲幅度精密测量； 能谱测量（单道分析器）； 定时（前沿定时）。一、概述2SNST,LANZHOUUNIVERSITYVTVi(t)Vo(t)ttVi(
2、t)Vo(t)脉冲幅度甄别器D00图4-1脉冲幅度甄别器工作原理(a)(b)(c)图4-1(a)为甄别器符号表示，Vi为输入信号；Vo为输出信号。图4-1(b)和图4-1(c）分别为输入和输出信号波形。脉冲信号的幅度低于VT，甄别器没有输出;脉冲信号信号的幅度高于VT，二者均在电路设定的电平之上,则甄别器在输出端产生幅度为Eo，宽度为T的信号输出。VT为甄别器的甄别阈。3SNST,LANZHOUUNIVERSITYVTVT2VT1t1t2t1t2(a)同一阈值不同幅度的信号(b)同一幅度不同阈值的信号图4-3脉冲幅度甄别器的定时误差VM1VM2VMttv(t)v(t)5SNST,LANZHOU
3、UNIVERSITYu快速响应性能;u固定的和短的死时间;u高的触发灵敏度;u甄别阈足够稳定;二、核测量中对脉冲幅度甄别器的要求6SNST,LANZHOUUNIVERSITY脉冲幅度甄别器的技术指标:u(1)输入灵敏度:几十毫伏左右;u(2)甄别阈范围:阈值动范围大(10mV-10V);u(3)甄别阈阈值稳定性:长时间(8h)内0.1-2mV/OC;u(4)甄别阈阈值线性:1%0.1%;u(5)甄别阈阈值涨落:范围小,零点几毫伏到几毫伏;u(6)甄别阈响应速度要快:可用于定时（ns量级),死时间小。可适应高计数率工作;u(7)输出信号的幅度和宽度恒定:与输入信号等因素无关，适合后续测量设备如定
4、标器，计数率计的需要。7SNST,LANZHOUUNIVERSITY三、脉冲幅度甄别器电路实例类型n二极管甄别器；n射极耦合触发器；n交流射极耦合触发器；n集成电压比较器；n隧道二极管甄别器。脉冲幅度甄别器就是电压比较器！8SNST,LANZHOUUNIVERSITYuoui0+Uom-UomUR传输特性1. 单限电压比较器UR：参考电压 ui ：被比较信号 +uouiUR特点：运放处于开环状态。当ui UR时 , uo = +Uom当ui UR时 , uo = -Uom 一、若ui从同相端输入9SNST,LANZHOUUNIVERSITY+uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui U
5、R时 , uo = -Uom 二、 若ui从反相端输入10SNST,LANZHOUUNIVERSITYuoui0+UOM-UOM+uoui2. 过零电压比较器: （UR =0时）+uouiuoui0+UOM-UOM11SNST,LANZHOUUNIVERSITY+uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom12SNST,LANZHOUUNIVERSITY+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。+uiuoUZRRuoUZ电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上13SNST,LANZHOUUNIVERSITY比较器的特点1. 电路简单。2
6、. 当Ao不够大时， 输出边沿不陡。3. 容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区14SNST,LANZHOUUNIVERSITY一、下行迟滞比较器分析1. 因为有正反馈，所以输出饱和。2. 当uo正饱和时(uo =+UOM) ：U+3. 当uo负饱和时(uo =UOM) ：+uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定3. 迟滞电压比较器特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。1. 没加参考电压的下行迟滞比较器又名：施密特触发器15SNST,LANZHOUUNIVERSITY分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差。当ui 增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；+
7、uoRR2R1ui当ui 减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom 。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。16SNST,LANZHOUUNIVERSITYtuiUom-UomtuiUHUL例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。+uoRR2R1ui17SNST,LANZHOUUNIVERSITY2. 加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL18SNST,LANZHOUUNIVERSITY下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:+uoRR2R1uiuoui0U
8、om-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL19SNST,LANZHOUUNIVERSITY例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit020SNST,LANZHOUUNIVERSITY首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiUR21SNST,LANZHOUUNIVERSITY+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V22SNST,L
9、ANZHOUUNIVERSITYu+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。二、上行迟滞比较器+uoRR2R1ui当u+ u- =0 时, uo= +UOM当u+ u- =0时, uo= -UOM1. 没加参考电压的上行迟滞比较器23SNST,LANZHOUUNIVERSITYuoui0Uom-Uom传输特性曲线UHUL+uoRR2R1ui上下门限电压：24SNST,LANZHOUUNIVERSITY+uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo= +UOM时：当uo= -UOM时：2. 加上参考电压后的上行迟滞比较器25SNST,LANZHOUUNIVERSITY传输特性：UHULuoui0Uom
10、-Uom+uoRR2R1uiUR+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL对照26SNST,LANZHOUUNIVERSITY迟滞比较器电路改进：为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。思考题：如何计算上下限？UZ+uoRR2R1uiuoUZ+RR2R1ui27SNST,LANZHOUUNIVERSITY积分甄别器电路实例FH1003A单道分析器中甄别电路单元。其电路图见图。vJ631C为一个电压比较器，vR9,R10和C4构成交流反馈，形成构成交流耦合施密特电路。v2DW7提供7V稳定电压。vW2用来调节阈值。vW1调节保证电路工作在施密特触发器状态, 使VBVD2=V2-F
11、(VOH-VOL) 。 28SNST,LANZHOUUNIVERSITY29SNST,LANZHOUUNIVERSITY30SNST,LANZHOUUNIVERSITY隧道二极管（tunneldiode）甄别器u基于重掺杂PN结隧道效应而制成的半导体两端器件。u隧道效应是1958年日本江崎玲於奈在研究重掺杂锗PN结时发现的，故隧道二极管又称江崎二极管。u这一发现揭示了固体中电子隧道效应的物理原理，江崎为此而获得诺贝尔物理学奖。u隧道二极管通常是在重掺杂N型（或P型）的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的PN结而制成的；其掺杂浓度必须使PN结能带图中费米能级进入N型区的导带和P型区的价带；PN结
12、的厚度还必须足够薄（150埃左右），使电子能够直接从N型层穿透PN结势垒进入P型层。这样的结又称隧道结。隧道二极管31SNST,LANZHOUUNIVERSITY隧道二极管的主要特点是它的正向电流电压特性具有负阻(见图)。这种负阻是基于电子的量子力学隧道效应，所以隧道二极管开关速度达皮秒量级,工作频率高达100吉赫。隧道二极管还具有小功耗和低噪声等特点。隧道二极管可用于微波混频、检波（这时应适当减轻掺杂，制成反向二极管），低噪声放大、振荡等。由于功耗小，所以适用于卫星微波设备。还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储电路等。ECEVEgP型区N型区耗尽区EFPEFNECEV32SNST,LAN
13、ZHOUUNIVERSITY产生隧道电流的条件：l（1）费米能级位于导带或价带的内部；l（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；l（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。33SNST,LANZHOUUNIVERSITY若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流电压曲线则将被改变成示于图2-13b中的情形。这称为反向二极管。34SNST,LANZHOUUNIVERSITY35SNST,LANZHOUUNIVERSITY峰点：峰点电压，峰点电流谷点：谷
14、点电压，谷点电流负阻区负阻区特性：UUIIUo36SNST,LANZHOUUNIVERSITYVI返回调节放大vivoITDI2I1ITD=I1+I2IH=IC-IBIH=ID-IB37SNST,LANZHOUUNIVERSITY最大计数率：150MHz；双脉冲分辨时间：7ns;甄别阈：-30mV-600mV;输出脉冲边沿：2ns；输出脉冲宽度：3800ns稳定性：0.3%/C。38SNST,LANZHOUUNIVERSITY三、脉冲幅度甄别器的使用半计数法39SNST,LANZHOUUNIVERSITY全计数点阈值半计数点阈值无计数点阈值半计数法的依据：脉冲幅度分布符合高斯分布。40SNST
15、,LANZHOUUNIVERSITY上阈值VTH，VU道中心VTC，VC下阈值VTL，VLVTLVTHVTCttVi(t)Vo(t)单道脉冲幅度分析器工作原理工作原理与基本结构2单道脉冲幅度甄别器道宽VW41SNST,LANZHOUUNIVERSITY符合端A反符合端B输输出端Y000010101110反符合电路逻辑真值表反符合电路逻辑关系式:VU=VL+VWVL 反符合电路反符合输入端符合输入端上甄别器下甄别器Vi（t）Vo（t）反符合电路逻辑&1ABBY42SNST,LANZHOUUNIVERSITY1. 基本结构(1)若输入信号Vi(t)的幅度ViVTL时：Vo=0，保持不变，无信号输出
16、。(2)若VTLViVTH时，A=1，B=/B=0，Vo=0，也无信号输出。由上分析可见，只有当输入幅度落在VTL和VTH之间的信号输入才产生输出信号。图（4-1-14）为各点波形图。 43SNST,LANZHOUUNIVERSITY图3-244SNST,LANZHOUUNIVERSITY2.时间移动带来的问题 上面讨论的原理适合于输入信号为矩形脉冲的情况，而实际信号是具有一定上升和下降时间的非矩形脉冲，这时在Vi超过VTH时会产生误输出。图为一个幅度大于VTH的三角形脉冲输出时图（4-1-13）电路的各点波形，从图中可以看到，上、下甄别器输出信号在时间上有移动，在t1至t2和t3到t4期间，上甄别器输出信号不能覆盖住下甄别器输出，因而造成误输出。45SNST,LANZHOUUNIVERSITY46SNST,LANZHOUUNIVERSITY47SNST,LANZHOUUNIVERSITYu当VUviVL时，上甄别器无输出，为高电平“1”；下甄别器有输出正脉冲。u当viVU时，上甄别器有输出负脉冲；下甄别器有输出正脉冲。u当viVL时，上甄别器无输出，为高电平“1” ；下甄别器无输出，
