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1、7 谱仪放大器7.1 概 述7.1.1 放大器在核测量系统中的作用图7.1.1 放大器在测量系统中的位置前面阐明了前置放大器的功能是解决和探测器的配合以及对探测器信号进行初步放大和处理。但是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（单道分析器、多道分析器等）的要求。所以对信号还需要进一步放大和成形，在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出的有用信息(如射线的能量信息和时间信息)，尽可能减少它们的失真。这样一个放大和成形任就由放大器来完成。本章重点讨论用于核辐射能谱仪中的放大器，通常也称为谱仪放大器，或相对于前置放大器，称之为主放大器。图7.1.1给出了放大器在测量系统中具体位置
2、。通常在能谱测量中所用的放大器，主要看其在能谱测量中对能量分辨率的影响大小，尽可能降低它的影响，以至可以忽略不计。现在谱仪放大器的性能也日益完善，发展了滤波成形技术、基线恢复、堆积拒绝技术，建立了适用于高计数率高能量分辨率的谱仪放大器，较好地满足了核辐射能谱测量的需要。放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求，必须解决两个问题。一个是把小信号放大到需要的幅度。另一个是改造信号形状，通常称为滤波成形， 目的是放大有用的信号，降低噪声，提高信号噪声比，适合于后续电路的测量。当然在这个过程中尽可能不损失有用的信息。为了说明放大器的任务，这里举一个简单的例子。图7.1.2（a）所示的波形为前置放大器的
3、输出信号，其尾部衰减时间常数通常在几十微秒以上，而上升时间通常为几十纳秒左右。这样的堆积信号是很难进行放大的，因为信号很容易使放大器阻塞而失去放大功能，而且后面分析测量设备也无法进行正常的分析及处理。如果让信号通过一个由电阻R，电容C组成的微分电路，其RC时间常数远小于信号的衰减时间常数，就可以使堆积的信号分开，并从基线开始增长，如图7.1.2（b）所示的波形。这就是简单的滤波成形电路。无论是进一步放大或滤波成形，都必须保持由探测器输出的信息：幅度信息和时间信息。实际上，在能谱测量中对时间信息往往并无要求，所以在滤波成形时就不必考虑时间信息方面的要求，同样在时间测量中对能量信息无要求时，也不必
4、考虑能量信息的要求。图7.1.2 前置放大器输出信号通过RC微分电路后的波形（a）前置放大器输出波形；（b）通过RC微分电路后的波形；（c）RC微分电路7.1.2 谱仪放大器的框图介绍过去在核物理实验中由于探测器本身的能量分辨率不高，一般的脉冲放大器就可以满足测量上的要求。随着探测器的发展，尤其是各种半导体探测器的出现，使探测器的性能有了很大的提高。往往要求放大器对总的能量分辨率的影响不超过万分之几，因此对放大器引起能量畸变的各种因素都要加以考虑。原有的放大器就不再能适应新的需要了。放大器的研制是放在提高测量能谱的精度和提高计数率的两个方面。在谱仪放大器中，为提高信号噪声比，采用滤波成形电路，
5、往往采用一次微分和三次到四次的积分滤波成形电路。在计数率高的情况下，信号堆积或隔直电容充放电会引起的基线漂移使谱线变宽。分辨率变坏，峰位移动。要解决这些问题又引进了基线恢复器。另外高计数率条件下脉冲堆积的影响将是十分严重的，导致能量分辨率变差，能谱畸变。采用堆积拒绝电路，剔除堆积信号，将使放大器的性能进一步得到改善。图7.1.3给出了几种常用谱仪放大器的框图。图 7.1.3 谱仪放大器原理的方框图从这些框图中也可以看出谱仪放大器的性能愈好，结构也就愈复杂。根据实验要求不同，谱仪放大器可以选择不同的形式。7.1.3 放大器的基本参量及测量方法一、放大器的放大倍数(增益)及其稳定性放大器的放大倍数
6、取决于前置放大器输出幅值和后续分析测量设备所要求的信号大小。通常各种探测器的输出信号由前置放大器放大后，其幅度约在毫伏到伏量级而分析测量设置备要求多在几伏到十伏左右。由此，通用放大器的放大倍数要求几倍至几千倍，而且可以调节。放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时间内（如八小时）由于环境温度的变化，电源电压变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度。其结果是使测量到的能谱产生畸变，实验结果误差增大。例如：在目前高分辨率谱仪中放大倍数的变化0.1%也会影响测量结果，所以通常要求放大倍数的温度系数在0.01%左右。当电源电压变化1%时，放大倍数变化应小于0.05%。提高放大倍数的稳定性最有效的方
7、法是采用深度负反馈，负反馈愈深，即A0F愈大，放大倍数的稳定性也就愈好。为放大器无反馈时的放大倍数，一般在几百至几千倍，为反馈系数，一般在零点几的量级。对于谱仪放大器的放大倍数定义为：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信号，在一定的成形电路时间常数条件下，输出脉冲幅度和输入脉冲幅度之比。测量放大倍数的实验装置，如图7.1.4所示。图7.1.4 测量放大倍数的实验装置图精密脉冲发生器被测放大器脉冲高度表精密脉冲发生器可以读出输入信号幅度，脉冲高度表可以读出输出信号幅度。测量时，首先将输入信号幅度从小到大逐步输入到放大器输入端，同时观察放大器输出信号幅度。当输入信号幅度增大，
8、而输出信号幅度不再增大时，则表示放大器进入了饱和状态，从而可以测量到放大器输出的动态范围。一般调节输入信号幅度，使输出信号幅度在放大器输出动态范围的中间附近，在这样条件下，测量放大器的放大倍数。放大器的放大倍数稳定性主要取决于环境温度和电网电压变化的影响。所以测量时，只要将被测放大器放在温控装置中，改变温度，待平衡后，测出它的放大倍数。放大倍数的稳定性，A为规定温度和设置电压条件下的放大倍数。同样只改变被测放大器的电网电压，测出放大器的放大倍数。放大倍数的稳定性二、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号幅度之间的线性程度。在谱仪中的放大器，对线性要求特别高，应保证在允许的信
9、号幅度范围内，对于不同输入信号幅度，放大倍数应保持不变。但实际上，在所规定的信号幅度范围内还是随着输入信号或者输出信号幅度变化而有一个微小的变化。当这个变化超过允许的数值时，就会给能谱测量带来了不允许的畸变。“线性”在谱仪放大器中是一个很重要的指标。理想的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非线性。通常把非线性分为积分非线性与微分非线性。积分非线性（INL）定义：（7.1.1）如图7.1.5（a）所示，指放大器的实际输出特性与理想输出特性之间的最大偏差，为最大输出额定信号幅度。图7.1.5 （a）积分非线性定义示意图（b）微分非线性定义示意图积分非线性直接影响到能量刻度误
10、差及使峰位发生偏移。微分非线性（DNL）定义：（7.1.2）如图7.1.5（b）所示，是指实际测量到的放大器输出特性曲线上某处的斜率，也就是放大器放大倍数。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，会使能谱产生畸变。对于放大器通常只给出积分非线性的指标，其值一般为千分之几，好的为万分之几，最大输出幅度一般10伏。产生非线性的原因是放大器中所用的器件（如晶体管和运算放大器等）的参数随着工作电流或电压变化而变化，从而使放大倍数也随着变化。改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点，在输入信号作用下尽可能减少工作电流的变化。（2）采用负反馈方法，它可以
11、使放大器非线性减少到原来的。图7.1.6给出了用电桥法测量放大器积分非线性的方框原理图及波形图。图7.1.6 电桥法测量放大器积分非线性原理的方框图及波形图测量原理简述如下：精密脉冲发生器输出信号一路加到电桥A端，并加到示波器的外触发便于观察。另一路经过衰减器后加到放大器，再输出到电桥的B端。被测放大器处于反相放大的状态。电桥的二个标准电阻，通常取几k至十几k。为避免示波器过载，另外加二个限幅二极管D1和D2。示波器从电桥N点观察并测量放大器的积分非线性。通常测量过程是调节精密脉冲发生器输出幅度至放大器额定最大输出幅度V0max仔细调节衰减器使电桥A，B两端输入幅度正好大小相等，方向相反。由示
12、波器观察到波形中的OA和CP在同一个水平上。然后再逐渐减小发生器的输出幅度，这时从示波器中测量N点的数值VS，找出最大值，即波形中CP线偏离OA水平线的最大偏差值VSmax。可以采用下面公式计算放大器的积分非线性(7.1.3)这是推荐的一种简便的近似计算方法。三、放大器的噪声和信号噪声比放大器输出信息中，总是由信号、噪声和干扰组成。干扰信号是外部的，可以通过各种方法减少到最小。对于噪声是由前置放大器输出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前置放大器输出端的噪声小一个量级就能满足要求。在具体使用放大器时还应考虑信号噪声比，由于核辐射探测器输出信号较小，噪声叠加在
13、有用信号上，能使能量分辨率变坏，因此如何提高信号噪声比就成为重要问题。前面已推导前置放大器输出的噪声功率谱密度为，因此在放大器内部采用合适的滤波成形电路来限制频带，就能够抑制噪声。利用宽带脉冲示波器可以测量放大器的噪声。调整放大器处于正常工作条件下，无信号输入时，在放大器输出端用示波器观察，读出噪声的峰-峰值，则折合到放大器输入端噪声的均方根值（7.1.4）A为放大倍数。这种测量放大器噪声的方法很简单，但受观察者判断大小的影响较大，故测量误差较大。同样在无信号输入时，超高频毫伏计也可以测量放大器输出端的噪声值，则折合到放大器输入端噪声均方根值（7.1.5）式中1.13是用测量正弦有效值的交流表
14、来测量噪声电压均方根值的修正系数。应该注意这种测量方法要求超高频毫伏的带宽至少比放大器带宽大十倍，同时自身噪声电压很低。四、放大器的幅度过载特性放大器工作有一个线性范围，当超出线性范围时，就要产生两种情况：超过线性范围较小时，放大器还能正常工作，只是它的非线性系数变大。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。例如：在测量同位素的低能X射线产生的脉冲信号时，伴随有高能射线产生特大的脉冲信号，就可能使放大器获得比正常幅度大上几百倍的输入脉冲，其结果使放大器在某级或几级中使工作点远离线性区，并使有的器件饱和，有的器件截止。这个大信号过后，放大器在一段时间内不能恢复正常工作。在这段时间内
15、来的低能X射线信号就不能被正常放大，从而使测量产生误差。这种现象就称为放大器的幅度过载，也称为放大器的阻塞。引起过载的脉冲信号称为过载脉冲。这一段不能恢复正常工作的时间就称为放大器的死时间。一般地讲，引起过载的原因主要与放大器中的耦合电容充放电有关。用一个简单的单管放大器举例说明，如图7.1.7所示。图7.1.7 单管放大器过载现象当输入一个大幅度的正极性矩形脉冲，由于基极电位迅速上升，基极电流大大地增加，晶体管很快地饱和，以至输入电阻很快降低为。对耦合电容C以时间常数为速度充电，由于很小，故C很快充到输入电压，相当于一个微分电路。这个大脉冲信号消失时，基极电压很快下降变负，晶体管截止，其输入电阻为，对耦合电容C以时间常数为速度放电。由于很大，故放电时间就很长了，其波形如图7.1.7所示。可以看到在大脉冲信号消失后，基极电位变得很负，使管子处于截止状态。在这一段截止时间里，所有正常的输入信号都不能正常地放大。由于放电时间较长，就可能使死时间比正常脉冲宽度大上几十倍到几千倍。解决办法：（1）尽可能采用直流耦合，从根本上消除电容充放电的现象。（2）当有耦合电容时，从电路上采用差分放大器的形式可以具有良好的抗过载性能。（3）也可以从滤波成形的角度来看，使输入脉冲变窄，从而可以缩短电容的充电时间。（4）在输入端加一级限幅电路来限制过载脉冲。当然还
