现代核电子学 课件(中科院高能所)第四章 2

中科院研究生院现代核电子学刘振安第四章谱仪线性放大器第一节概述第二节谱仪放大器的放大节第三节滤波与成形第四节快放大器第五节弱电流放大器中科院研究生院现代核电子学刘振安第二节谱仪放大器的放大节•4.2.1放大节的结构•4.2.2分立元件构成的放大节电路介绍•4.2.3集成运放构成的放大节中科院研究生院现代核电子学刘振安4.2.1放大节的结构•谱仪放大器是由许多单元电路组合而成的。其中主要单元是几个放大节。•放大节通常由一个高增益的运算放大器(可以由分立元件或者集成电路组成)和一个反馈网络所组成。前面分析放大器上升时间时，已经提到放大节的上升时间要大大优于放大器的上升时间。•实际上放大器很多指标在很大程度上取决于单元放大节指标的优劣，所以对放大节的选择是非常重要的，选择一个好的放大节，才能够保证谱仪放大器的良好性能。中科院研究生院现代核电子学刘振安放大节的基本要求•对于放大节的基本要求可以从对谱仪放大器的要求中提出。简单归结为：放大倍数及其稳定性、线性、上升时间和过载等性能的要求。•在分析谱仪放大器特性时，很多地方都提到改善指标的有效办法是采用负反馈方法。当然，在放大节的具体电路中也确实都采用负反馈的方法，所以有时也称负反馈放大节。•谱仪放大器中最常采用的反馈形式是电压并联负反馈和电压串联负反馈二种。•由于现时的放大节全部采用直流耦合形式，所以也称为运算放大单元，所有运算放大器的特性在这里可以直接引用。中科院研究生院现代核电子学刘振安反相端输入的负反馈•左图为反相端输入的反馈形式。•增益•输入阻抗•输出阻抗•F为反馈系数，为开环放大倍数，开环时的输出阻抗。RRAfRRifFARRoof010A0R中科院研究生院现代核电子学刘振安同相端输入的负反馈•右图为同相端输入形式。•增益•输入阻抗•输出阻抗•为开环时的输出阻抗。RRAf1)1(0FARRiifFARRoof010R中科院研究生院现代核电子学刘振安负反馈的作用由于负反馈作用，放大倍数的稳定性提高了倍，非线性也得到改善，缩小了倍，频率响应的带宽，大体上说增加了倍，当然相应的上升时间大致也减小了倍。所以要改善放大节的性能，首要问题是提高负反馈深度。反馈系数F因具体需要而确定的，尽可能增加放大节的开环放大倍数是十分必要的。有时，为了得到大的开环放大倍数，除了增加级数外，还适当加入一些正反馈(如自举电路)。一般开环放大倍数取在量级。)1(0FA)1(0FA)1(0FA)1(0FAFA00A421010中科院研究生院现代核电子学刘振安•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，因此不能用负反馈来改善放大器的信噪比。为了降低噪声，除了对输入级的器件作严格的挑选外，在电路的接法上也需要注意。最常采用的连接形式是电压并联负反馈和电压串联负反馈二种。我们研究一下出两种接法对噪声的影响。其中为输入端信号，为输入端噪声。iVnV中科院研究生院现代核电子学刘振安电压并联负反馈•对于反相端接法的信号和噪声的放大倍数分别为RRAfSRRAfn1ffnSRRRAA中科院研究生院现代核电子学刘振安电压串联负反馈•对于同相端接法的信号和噪声的放大倍数分别为•所以有，RRAfS1RRAfn11nSAA中科院研究生院现代核电子学刘振安•由此可见，对于指标性能一样的运算放大器，同相接法的信噪比性能要比反相接法的好。对于输入级来讲，一般总是希望接成同相放大器。在具体实验中，探测器、前置放大器、谱仪放大器之间都需要有一段距离，而实验室环境总存在各种电磁场的干扰。连接前置放大器和谱仪放大器的电缆就会感应到这些干扰信号，从而使信噪比变差。利用双芯同轴电缆把信号传送到差分放大器的输入端，利用差分放大器抑制共模噪声的特点而大大降低这种干扰噪声的影响。故谱仪放大器共模抑制比基本上由输入放大节的特性所决定。•下图给出这种接法的原理图，用来抑制强的干扰电磁信号是十分有效的。•对于谱仪放大器，还希望位于它前级的前置放大器的放大倍数大一些，尽可能减少对放大器内部噪声的放大量。中科院研究生院现代核电子学刘振安放大倍数的调节•放大节中放大倍数由和R来决定，放大倍数的调整可以分为粗调和细调。粗调通常变换不同电阻，如图(a)所示。细调也可以用这种方法，但显然调节是非线性的，如图(b)所示。在同相输入端上用可变电阻组成分压器，分压器不会影响同相输入端的负载，因此调节的线性很好，如图(c)所示、fR中科院研究生院现代核电子学刘振安其他要求•在放大器中对输入放大节和输出放大节还有一些特殊的要求。•通常输入放大节要适应输入极性的变化和阻抗匹配的要求，还要考虑过载特性和低噪声。由于这些性能不能通过负反馈的方法来解决，因此还必须附加一些电路。•输出放大节由于信号幅度范围大、要求有较大的线性范围。此外，还要考虑输出阻抗和匹配。•在谱仪放大器中，一般有几节都是相同结构和形式的放大节，对不同的要求可以在电路上采取一些措施。中科院研究生院现代核电子学刘振安4.2.2分立元件构成的放大节电路介绍中科院研究生院现代核电子学刘振安分立元件负反馈放大节•由T1，T2组成的差分放大器，T3组成的单管放大器及反馈网络组合而成中科院研究生院现代核电子学刘振安前级：差分放大器用差分放大器作为前级，可以提高电路的抗过载性能。•输入很大的正向脉冲时，可能使T2管截止，这样T1、T2管公共射极电阻(22kΩ)作为T1管的射极电阻。此时输入阻抗为(22kΩ)并联，由于，充放电时间常数近似为。•当有很大的负向脉冲时，可能使T1管截止，这样充放电时间常数也就为。这与在正常工作条件下的充放电时间常数相当接近，因而在过载信号的条件下就不会出现明显的基线漂移。eR1bReR)1(1)1(beRR11CRb11CRb中科院研究生院现代核电子学刘振安交直流分开的负反馈采用交直流分开的负反馈。从交流反馈来看是电压串连负反馈，故具有电压串联反馈的一切优点。•交流反馈系数•反馈后的放大倍数。只要足够大，则有••电路内部都采用直流耦合，由于没有使用耦合电容，使电路的抗过载能力提高了。当然也带来了另一个问题，即工作点的漂移问题。这里用加强直流负反馈来稳定电路的工作点。•直流的反馈系数为•反馈后的直流放大倍数•由此可见电路的工作点应该是很稳定的。3'3'3CCCOFRRRVVFFAAA0010A1027024002701/33/3CCCRRRFA9.022000240022000232bCbDRRRF1.11100DDDFFAAA中科院研究生院现代核电子学刘振安开环增益要使负反馈的放大节性能良好，开环增益必须很大。这里我们来估算一下此电路的开环增益。•把的e和b极间的电阻与并联视为T1的负载。差分放大器的放大倍数••单管放大器的放大倍数••放大器的开环增益••代入参数可以计算得到约为量级，可见开环增益是满足远大于1的条件的。3T3ber1CR13111)//(21bebeCrrRA3/3322beCCrRRA)(2)(311/3312210beCbeCCCrRrRRRAAA0A310中科院研究生院现代核电子学刘振安其它器件的作用•二极管D2是把输出脉冲限制在一个给定的数值上。静态时，所以在D2的两端有2.2V的反向电压，只要D2处于截止状态，二极管的反向电阻非常大，不影响放大级正常工作。当输出负脉冲幅度的绝对值超过时，二极管D2导通的正向电阻非常小，约为0.6～0.7V，使最大输出信号限制在2.9V左右。在输出幅度大于2.9V时，放大器的线性被D2管破坏了。但是它限制了向后级放大节输入的最大脉冲，再会引起后级放大器的过载，从而提高子电路的抗过载特性，需要指出的是，二极管D2抗过载特性只对负信号起作用，对正信号来讲不起什么作用。•电容C6作为稳压管D1的旁路电容。D1总有内阻存在，在高频时这个电阻就显得较大，通过C6的旁路，可以提高T3的放大倍数，也即提高了放大节的开环放大倍数。•电容C5是调整高频的反馈量，用以得到最好输出波形。•R1、C2、C2’和R2、C3、C3’为退耦电路，作用是隔离放大节之间的相互影响及隔离来自电源的影响，几乎所有单元都要使用退耦电路。明确了退耦电路作用，在分析电路时可以撇开它，使电路简易明晰。VVC2.22VVVDC)7.02.2(2中科院研究生院现代核电子学刘振安中科院研究生院现代核电子学刘振安4.2.3集成运放构成的放大节从上面对由分立元件构成的放大节电路的分析可以看到，谱仪放大器中放大节电路的各项指标要求较高，一般的集成运算放大器是无法满足其要求的。必须对集成运算放大器提出一些特殊的要求。•（1）上升速率上升速率是指在输入端作用很大的阶跃信号，由于受内部限制而得到输出电压的变化速率，单位是电压／时间。集成运算放大器的瞬态特性在信号幅度不同时有很大的差别。输入端有很大的阶跃电压信号时，集成运算放大器通常都能产生瞬时的饱和或截止现象，将使放大器的输出电压不能很快跟随输入阶跃电压变化。它是由于运算放大器中存在着各种杂散电容及运算放大器中的一些相位补偿电容所引起的。谱仪放大器的放大节要求有快的上升速率。中科院研究生院现代核电子学刘振安•(2)相位补偿•放大节电路中运算放大器都接成负反馈连接形式。在低频时具有180度的固定相移，而到反馈网络的中频和高频段的时，随着频率变化会产生一个附加的相移。当相移达到180度，放大网路增益A≥1时就会产生自激振荡。为了保证放大节电路稳定工作，通常都对运算放大器采用相位补偿电路。图4.2-6给出了—些相位补偿方法的简图。中科院研究生院现代核电子学刘振安相位补偿方法之一中科院研究生院现代核电子学刘振安相位补偿方法之二中科院研究生院现代核电子学刘振安相位补偿方法之三中科院研究生院现代核电子学刘振安实用的集成运算放大器组成的放大节•左图给出一个实用的集成运算放大器组成的放大节电路，它是同相端输入的放大节电路。中科院研究生院现代核电子学刘振安中科院研究生院现代核电子学刘振安第三节滤波与成形•4.3.1滤波成形电路的作用•4.3.2最佳滤波器的讨论•4.3.3滤波成形电路的信息畸变•4.3.4无源滤波成形电路•4.3.5有源滤波成形电路中科院研究生院现代核电子学刘振安第四节快放大器•4.4.1概述•4.4.2快放大器的放大节•4.4.3快放大节的比较•中科院研究生院现代核电子学刘振安第五节弱电流放大器•4.5.1电阻式弱电流测量方法•4.5.1电容式I-F转换弱电流测量中科院研究生院现代核电子学刘振安