新型高性能脉冲峰值保持电路

新型高性能脉冲峰值保持电路 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 新型高性能脉冲峰值保持电路 第17卷 第4期 1997年7月核电子学与探测技术 NuclearElectronics&DetectionTechnologyVol.17No.4July1997 陈勇 李延国 吴枚 (中国科学院高能物理研究所,北京,100039) 本文介绍了两种新型跨导型脉冲峰值保持器,分别用于多丝正比室(MWPC)和复合晶体闪烁探测器(Phoswich)输出脉冲信号的形状和幅度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。电路的跨导放大级采用跨导型集成运算放大器,使电路结构简单化,且性能优良可靠,能响应输入脉冲最小上升时间分别为50ns(Phoswich)和500ns(MWPC)的信号,在40dB的动态范围内,两电路的积分非线性均好于0.1%,特别适用于空间γ射线观测。 关键词:脉冲峰值保持电路 跨导放大器 1 引言 峰值保持电路是核物理实验中的重要线路单元[1,6]。从60年代至今,峰值保持电路的前级(探测器及前置放大器)和后级(A/D转换器等)发展极为迅速,而作为桥梁的峰值保持电路却发展得相对较慢,使其成为制约整个系统性能提高的瓶颈。传统的峰值保持电路是电压型的(如图1),电路的原理简单,但积分非线性大,动态范围小(小幅度响应差,一般大于200mV),通频带也小,在处理快信号时性能不太令人满意。在80年代,出现了跨导型峰值保持器[1],其性能优于电压型的。并不断—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 发展出适合于不同需要的跨导型峰值保持器[1,2,6] 。[3] 图1 电压型峰值保持电路 图2 跨导型峰值保持电路 对于电压型峰值保持电路,从频域上说,由二极管D和电容C所组成的网络有一极点,并且由于二极管内阻不是常数,该极点位置并不固定。而运算放大器A本身也有极点,为了电路能够稳定工作,只好降低整个电路的通频带,这样就不适用于处理快信号。另外,信号从输入到反馈回来需一定的时间,称回路时间t1,所以在电容上电压Vc达到Vi的峰值时,要经过t1时间才能反馈回来,使二极管D截止,这样就会产生过冲,过冲Vp的大小为: Vp=?0 0t+tt1A〔Vi(t)-V0(t)〕/〔C(Zd+ZC)〕dt 其中Zd和Zc分别为二极管D和电容C的阻抗,A为运算放大器的开环放大倍数。由于A通 本工作得到国家自然科学基金金资助及中国科学院宇宙线与高能天体物理开放实验室资助 常很大(,10),在t1大部分时间里为输出的最大电流,使过冲较大且为非线性。总之,电压型的峰值保持电路不适于处理快信号。 为了减少过冲电流,在80年代出现了跨导型峰值保持电路,原理图如图2,其中Ir为电流源,提供跨导放大器的静态回路,对该电路有 Vp=5?0 0t+tt1{g〔Vi(t)-V0(t)〕/C}dt —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 其中g为跨导放大器的跨导系数,一般较小(约10-2s)。当Vc达到峰值时,电流已趋于零,所以基本无过冲。另外,跨导型放大器的第一转折频率容易做得较高,所以整个电路的通频带较高,且稳定性好,适于处理快信号。 HAPI-4混合型硬X射线望远镜有充氙多丝正比室和复合晶体闪烁计数器两种类型的探测器,其能谱测量和脉冲形状分析需用高性能的峰值保持器。由于两电路均用于空间探测,所以要求结构简单、元件少、可靠性高和功耗小。 跨导型的峰值保持电路虽然在性能上优于电压型的,但在电路设计上也存在困难。由于使用跨导放大器,在回路增益式A=V0/Vi=g/(Ckj) 中有一项积分因子(1/kj),C为保持电容,为了提高电路的线性性能,需要尽可能大的C,而加大C会减小电路的通频带和摆率。同时,为了得到大的动态范围和良好的小幅度性能,大多数系统要求电路的增益为1,而小的C会使电路在增益为1时不稳定,所以较难设计出既有较大的通频带和摆率,又有较好的线性性能且增益为1的电路。所以至今尚无性能理想的通用电路。文献[1]给出了一种全部为分立元件的电路,在电路设计上采用较小的C(39pF)、较高的增益(8),使电路速度极快(约10ns),通频带极宽(150MHz),但线性不够好(积分非线性0.25%)。文献[2]给出了一种集成和分立元件混合电路,电路设计上采用较大的C(220pF),使电路线性极好(积分非线性5×10-5),但通频带不够宽(2.2MHz)。两者电路结构都比较复杂,由于跨导级均采用分立元件,不得不设有复杂的电流控制系统及补偿网络,使用元件较多,不易调试维—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 护。可靠性和一致性都相对较差。并且,两电路都不能通过简单地调节有关参数以适合HAPI-4应用。 综合考虑了两种探测器的特点和性能价格比,我们设计制作了如下两种跨导型脉冲峰值保持器。跨导放大级采用跨导型集成运算放大器,集成跨导运算放大器不同于常用的电压型运算放大器,它输入电压,输出电流I0=gVi,其中g为跨导系数,Vi为差模输入电压,从而省去了静态电流回路,使电路的集成度提高,并有良好的性能。在电路设计上,分别采用两种不同的方法使电路既有较大的通频带和摆率,又有较好的线性性能且增益为1。 2 多丝正比室脉冲峰值保持器 充氙多丝正比室脉冲峰值保持器用来分析多丝正比室的脉冲幅度信号,由于信号路数较多(几十路),脉冲上升时间较慢(>500ns),所以要求电路简单,成本较低,一致性好,并要求电路在小幅度(100mV)时有较好的线性,保持时间为20。μs,增益为1 2.1 电路原理 原理图如图3。跨导级采用CA3080,由于该芯片的巧妙设计,使电路无需外接电流源以提供静态回路。CR2、CR4和R4用来减小在跟随和保持两状态间CR3两端的电压摆动,这有利于减小非线性及下垂速率。R8和C5为频率补偿元件。采用增强型CMOS场效应管2N7000来放电。缓冲级采用LM310集成运放跟随器,该器件具有高输入阻抗,较宽的频带。电压比较 图3 多丝正比室脉冲峰值保持器电路原理图 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 器LM361和单稳态电路74HC123构成阈值可调、输出脉冲宽度可调的逻辑控制电路,用来产生保持信号,便于独立使用。 静态时Q1的G端处于高电位,使Q1导通,输出为零电位。当有信号输入时,LM361被触发,经74HC123产生保持信号,使Q1的G端为低电位,使Q1截止,从而保持信号。当输出幅度与输入幅度一致时,CA3080输出为零,输出幅度不再增大。随着输入幅度的下降,CA3080开始吸入电流,使CR3和CR4截止,CR2导通。从信号触发经过约td=0.7R12C9保持时间,由74HC123产生放电信号,使C4放电。电路又进入静态等待状态。这样就实现了峰值保持功能。 2.2 设计思想 为了提高电路的精度,通频带应尽可能宽些。CA3080的第一极点在2MHz,要增加频带并稳定工作,必须进行频率补偿。本电路采用极-零补偿,引入R10、R8、C5和R11组成的补偿网络,引入一极点1/[2π(R10+R8+R11)C5]和一零点1/(2πR8C5),这里并没有增大电路的增益。电路的波特图如图4,可见对小信号电路的通频带可达8MHz(C4=22pF)。 在充电和保持两状态中,电荷会在保持电容和二极管 结电容之间重新分配,致使保持的电压减小,所以要减小两 状态间二极管两极间的电压摆动,并减小结电容。在通频带 和摆率允许的条件下尽量增大保持电容。 2.3 实测充氩多丝正比室241Am能谱 脉冲峰值保持器的性能一般用滑移脉冲发生器标定, 但由于实际使用中,探测器的噪声和随机信号会影响其性 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 241图4 多丝正比室脉冲峰值保持器电路波特图能,鉴于此,我们用它测量了充氩多丝正比室的Am能 谱,并与多道分析器直接测量的谱作了比较。具体作法是,丝室输出信号直接接多道,测得一谱为原谱。通过峰值保持电路再接多道所测谱简称峰谱。若峰值保持电路性能较好,两谱应无明显差异。调节峰位,可观察电路对各幅度的响应是否正常。实测能谱如图5,两谱无明显差异, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该峰值保持器性能稳定且具有很强的抗干扰能力。 2.4 电路所达到的性能指标 带宽8MHz,压摆率25V/μs,积分非线性<0.1%(rs=1.5μs),增益1,线性输入范围0.05,5.0V,下垂速率<0.5mV/μs 。 图5 241Am能谱(A为原谱,b为峰谱) 3 复合晶体闪烁计数器峰值保持器 复合晶体闪烁计数器峰值保持器用于闪烁探测器输出信号的波形甄别[4]及幅度分析。由于NaI探测器输出信号最小上升时间约为50ns,所以要求电路输入脉冲的上升时间rs>50ns,并且有较大的动态范围(0.2,5.0V),及较好的线性。保持时间为20μs,增益为1。 3.1 电路原理 原理图如图6。本电路基本原理与前面电路一致,跨导级采用MAX436,该器件 有 图6 复合晶体闪烁计数器峰值保持器电路原理图 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 200MHz的带宽,800V/μs的压摆率,缓冲级采用AD847。由于AD847的输入阻抗较小(300kΨ),所以加一级跟随器Q2(3DO2G)以增大输入阻抗。由于输入信号0.2,5.0V,而MAX436最大输出为3.5V,所以输入信号要先衰减一半,为了增益为1,其后需再加入一级由LF347组成的增益为2的放大级。 3.2 设计思想 MAX436是高速、宽带跨导型放大器。其典型电路(如图7)的增益由两个阻抗的比值和一个内部设定的电流增益因子(K)来决定。V0=K(Z1/Zt)Vi。该器件一般不用于负反馈电路,本电路尝试将该器件用于负反馈电路。 电路的波特图如图8。由于上述MAX436特殊的输入输出关系,在回路增益式A=KC6/〔C7(1+R6C6kj)中消去了积分因子1/kj,使整个电路只有一个极点在1/2πR6C6处,与保持电 容C7无关,所以可以使用较大的电容又不致降低电路 的通频带,使输出波形十分接近理想状态下单极点低通 网络输出波形。这使电路既有较宽的通频带,又有极好 的稳定性和极小的积分非线性,且增益为1。本电路是一 个通用电路,只要调节R6、C6和C7,就可设计出适应不 同通频带及线性要求的电路。当然,若不考虑性能价格 比,本电路完全可以代替前面设计的多丝室峰值保持 器。 3.3 电路的测试 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 该电路实测137Cs能谱如图9,两谱形 无明显差异。 3.4 电路所达到的性能指标 输入阻抗500Ψ,带宽500MHz,积分非 线性<0.1%(rs=100ns),压摆率100V/ μs,线性输入范围0.05,5.00V,增益1,等 效噪声电压<1.0mV,下垂速率<0.5mV/ μs 。图8 复合晶体闪烁计数器峰值保持器电路波特图图7 MAX436典型电路 图9 137Cs能谱 3.5 改进方向 电路缓冲级若采用通频带更宽的元器件,如LH0033,则电路可用于上升时间更小的脉冲处理。若采用小电容肖特基二极管,电路的积分非线性会有进一步的提高。 4 结论 本文给出了两种新型峰值保持器,采用跨导型集成运算放大器,使电路结构简单,显示出较好的性能,分别用于多丝正比室和闪烁计数器的脉冲信号处理。得到较为满意的结果。同时,本文提出了一种峰值保持器的通用电路结构。它采用跨导型集成运算放大器,消去了回路增益式中的积分因子(1/kj)。电路结构简单,只要选择适当的芯片,可用于多种系统中。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 参 考 文 献 1 HaasW,DullankopfP.Anovelpeakamplitudeandtimedelectorfornarrowpulsesignals.IEEETrans,1986.IM35(4):547. 2 BuckensPF,VeatchMS.Ahighperformancepeak-detect&holdcircuitforpulseheightanalysis.IEEETransNuclSci,1992.NS39(4):753. 3 孟烈.几种峰值屏宽器.核电子学与探测技术,1986.6(1):63. 4 王建中,王焕玉,程凌翔等.基于脉冲前后沿分析的脉冲形状甄 别器研究.核电子学与探测技术.1992.增刊:74. 5 KepplerE,GlasmachersA,WinkelnkemperW.Newdesignaspectsforanenergeticparticletelescopefor spacemissions.IEEETrans,1981.IM30(3):177. 6 KruiskampMW,LeenaertsDMW.ACMOSpeakdetectsampleandholdcircuit.IEEETransNuclSci, 1994.NS41(1):295.(1996年7月5日 收 到)TwoKindsofNovelHighPerformancePulsePeakHoldCircuit ChenYong LiYanguo WuMei (InstituteofHighEnergyPhysics,AcademiaSinica,Beijing,100039) Abstract —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Inthispaperweintroducetwokindsofnoveltransconductanceamplifierpeakholdcircuit.Theyareap-pliedinpulseshapeandheightanalysisoftheoutputsignalsofmulti-wireproportionalchamber(MWPC)andphoswichrespectively.Weusedintegratedtransconductanceamplifiertoachievesimplearchitectureandhighperformance.Theminimumrisetimeoftheinputpulsein50ns(phoswich)and500ns(MWPC).Theintegralnon-linearityofbothcircuitsisbetterthan0.1%withinapulseamplituderangeof40dB.Therefore,theyaresuitableforspaceγrayobservations. (KeyWords:Pulsepeak-holdcircuit Transconductanceamplifier) 【作者简介】 陈勇,男,26岁,博士生;李延国,男,48岁,副研;吴枚,男,54岁,正研。 (上接,Continuedfrompage268) TheCharactersiticsofSoftXRaySourceonBeijingSynchrotron RadiationFacilityandCalibrationofDetectorSensitivity CuiMingqi CuiCongwu LiGang (InstituteofHighEnergyPhysics,AcademiaSinica,Beijing,100039) YiRongqing SunKexu YangJiamin WenShuhuai (InstituteofNuclearPhysicsandChemistryofCAEP,P.O.Box525,Chengdu610003) Abstract —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ AsoftXraysourceofbeamline3B1onBeijingSynchrotronRadiationFacility(BSRF)isintroduced.Thecharactersiticsofthesource,i.e.theresolutionsofenergy,theabsolutefluxofphotonandlinearityofoutputintensityhavebeenmeasuredandanalyzed.ThesensitivityofsoftXraydetectorhasbeencalibratedwiththissource.Somegoodresultshavebeengotten. (KeyWords:Synchrotronradiation SoftXray Calibrationofdetector) 【作者简介】 崔明启,男,48岁,副研,中国工程物理研究院客座研究员,硕导;崔聪 悟,男,29岁,实研,硕士;黎刚,男,28岁,实研;易荣清,男,32岁,助研;孙可 煦,男,56岁,副研;杨家敏,男,29岁,博士生;温树槐,男,60岁,正研。 ——————————————————————————————————————