程控增益线性脉冲放大器的设计_关雪梅
第26卷 第3期
2006年 5月核电子学与探测技术
Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gy
V ol. 26 N o. 3 M ay 2006
程控增益线性脉冲放大器的设计
关雪梅1, 2, 乔 双2, 陈纯锴1, 2, 周传胜1
(1. 牡丹江师范学院, 黑龙江牡丹江157012; 2. 东北师范大学物理学院, 吉林长春130024) -RC -CR 成形电路结构, 使用非 摘要:设计了一种新型程控增益线性脉冲放大器。采用准高斯CR
易失性数字电位器和精密运放, 使电路结构大大简化, 抗干扰能力强, 增益多级连续变化平稳, 且具有温漂低、脉冲线性好等特点。
关键词:程控; 线性脉冲放大器; 数字电位器; 多道谱仪
中图分类号: T L821 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2006) 03-0361-03
实际上脉冲成形、放大的线性、温度漂移、频率响应等都会影响着计数率和测量精度[1]。给出了一种准高斯CR -RC -CR 成形电路结构, 使用非易失性数字电位器和精密运放实现的程控增益线性脉冲放大器。该放大器的全部电子学线路被封装在双面印刷线路板上, 明显提高
了放大器的稳定性, 抗干扰能力强, 增益多级连续变化平稳, 且具有温漂低、脉冲线性好等特点。该放大器研制成功后, 配合所研制的多道卡可以实现自动稳谱, 现已连续使用二年多时间, 证明该放大器具有良好性能, 达到了预期设计要求。
用直接耦合方式, 可以提高晶体管静态工作点的稳定性, 使得从前置放大器输出的微弱电信号得以不失真的放大, 而且由于直接耦合, 明
显地展宽了放大器的频带范围。经过两级放大的信号, 具有一定的幅值, 采用阻容耦合方式可以避免工作点之间的影响。第3级射极跟随放大量为1, 它的主要作用是:增大输入阻抗, 减小输出阻抗, 以增强驱动能力。
1 电路结构
1. 1 整体设计
如图1所示, 放大器采用两级放大和一级跟随电路构成。对于微弱的信号, 第1级放大是三级放大中最关键的, 要尽可能地抑制噪声, 否则在第一级引入的噪声将随着信号一起进入后级放大器, 可能会导致最后一级放大器噪声限幅。在设计上做到电路板布线合理, 电源噪声和纹波抑制强度大, 第一级放大要有良好的屏蔽和抗干扰性能。第1级和第2级的级间采
收稿日期:2005-02-10
作者简介:关雪梅(1975) ) , 女, 黑龙江人, 东北师范大学物理学院硕士生, 从事核电子学研究; 乔双(1963) ) , 男, 吉林长春人, 东北师范大学物理学院教授, 博士后, 从事神经网络与模式识别研究
图1 程控增益放大器功能框图
1. 2 成形电路
由于前置放大器的输出信号如图2a, 其尾部衰减的时间常数通常在几十L s 以上, 而其上升时间通常有几十ns, 这种/堆积信号0很容易
使放大器阻塞而失去放大功能, 脉冲成形电路是必不可少的。首先将主放的输入信号变窄, 但是经过简单的CR 滤波电路后, 在信号尾部出现了/反冲0图2b, 利用极零相消电路图2c 可使反冲消失。这种电路特别适合于成形有过载脉冲的高计数率的脉冲信号, 在这种成形电路后加有两级相应的积分电路图2d, 前一级是二阶有源积分滤波成形电路。脉冲信号从同相端输入, 它对RC 网络有很高的输入阻抗。随后紧跟一级无源RC 积分电路。核脉冲信号经过两级的积分滤波成形电路后, 就可以得到单一极性, 顶部较圆, 信噪比较高的/准高斯型波
形0
信号。
图2 微分、积分电路和波形
1. 3 电源设计
放大器? 12V 电源是由市电经变压→三端
稳压器→滤波提供, 但有很大的交流干扰和纹波系数, 所引入的噪声都属于本机噪声。而低通滤波能抑制电源线上的中高频干扰, 必需要在电路上对电源进行进一步的处理、滤波。同时还存在同一个直流电源给多个电路供电的问题, 产生自激振荡之类的噪声。所以设计上对每个单元电路的直流电源线与地线之间加上由电感和电容构成的P 型低通滤波器, 其主要作用是滤波和防止级间耦合。实际电路中使用了18mH 的电感, 它具有一定的电阻值, 约为1008, 所以直流在电感上有一定的分压, 正好降低了由于滤波提高的电压, 还省了几个电阻。1. 4 集成运放的选择
频带的宽窄是一个重要指标, 由于OP37是宽带精密低温漂放大器, 其单位增益带宽为63M H z, 采用三级放大, 这样频带得到极大的拓宽。这类运放的主要特点是增益和共模抑制比很高(100dB 以上) , 失调、温漂和噪声则特别小。它除了采用超B 和低噪声的晶体管之外, 还采用了严格的热匹配设计和引进低温度系数的高精密电阻制造技术, 以获得尽可能低的失调电压和失调电流。
主要技术参数如下:
输入噪声:在0. 1~10H z 时, 典型值为0. 08L V, 最大值为0. 08L V; 在1000H z 时, 典
型值为3. 2nV, 最大值为4. 5nV;
速度:最小值:11V /L s, 典型值:11. 9V/L s; 带宽:63MH z;
电源供电:(士4~士18) V; 输出电阻:700;
输入电阻:RIN 典型值为5M 8; 短路电流:25mA; 低温漂移:0. 2L V /e 。
2 实现线性脉冲放大器的数字调节
利用数字电位器与运放很容易构成程控增益放大器。其特点是它不仅能实现量程多级变化, 实现高的增益分辨率, 而且线路非常简单。使用数字电位器可以使智能仪器仪表的参数调整快速、精细、稳定, 达到机械电位器达不到的效果。
采用X9221替换机械电位器构成可程控增益放大器的接口电路(图5) 。PC 机通过串口, 经过M AX2323电平转换芯片和单片机相连。PC 机不仅能通过串口通信获得信号采集的数据, 而且能根据信号采集和处理的实际情况动态地控制X9221的电阻值。这样就在信号采集中实现了增益控制, 实现自动稳谱。控制器件选一片89C51单片机, 仅用P1. 0和P1. 1两个端口与X9221的SDA 和SCL 相连, 在SDA 和SCL 线上设置了10k 8上拉电阻。
图3 程控增益接口电路
由于X9221滑动端抽头个数有限, 分辨率为7位, 而微调需要的精度高, 数字电位器的阻
值范围及分辨率不够, 需要扩展。我们将电位器W1、W2串联(W1是机械式精密电位器, W2为X9221数字电位器阻值10k 8) , W1滑动端与其一端短接阻值为R 1, W2的滑动端作为输出。阻值为R 2、R 3(R 2+R 3=10k 8) 。设输入电压信号为U i , 输出信号为U o , 则U o =[R 3/(R 1+R 2+R 3) ]U i , 由于公式中的分母变大, 由10k 8变成R 1+10k 8, 这样调整步N 可以使输出量的分辨率升高。
化所致, 在此基础上加上保温装置和温度控制器, 再进行测量, 峰位长时间不变。从图5可看出谱形的峰位准确、分辨率高, 而且计数率和死
时间等指标都很好。
图4 输入输出波形
3 整机测试
3. 1 信号源测试
采用双踪示波器, 标准信号源测量波形如图4所示, 信号源输出频率为200kH z 的脉冲信号, 经过微分和积分的整形, 且输入与输出反向, 这样的信号符合多道分析器要求。从表1和表2来看, 放大器的线性度好, 频带较宽可以达到300kH z 。
表1 线性测试
V in /mV 1456106V out /m V 280. 01125. 62120. 0A /V
20. 0
20. 1
20. 0
1573108. 619. 8
2084160. 020. 0
2585185. 820. 1
图5 两种放大器的60Co 实测谱形比较
4 结束语
将高精度、低温漂的放大器OP37应用于线性脉冲放大器中, 加上适当的外围电路使温漂得到较好的抑制, 放大器整体线性好; 使用数字电位器X9221实现了增益调节的数字化, 抗冲击, 噪音小, 为今后放大器智能化设计奠定了基础。
参考文献:
[1]董菊心, 等. 一个与BF 3计数管相匹配的实用前置
放大器[J].核电子学与探测技术, 1998, 18(3) :227.
表2 频带测试(输入电压304mV , 放大倍数10)
频率/kH z 50V out
80
150
2503. 04
3503. 04
4003. 04
5003. 02
5503. 00
3. 103. 053. 04
3. 2 标准源实测谱形
采用BGO 探头, 4096道多道谱仪, 1kV 的高压直流稳定电源测量Co 的标准源, 测量条件相同, 图5中谱1为新设计的脉冲放大器测量谱形, 谱2为原有主放所测谱形。测量中峰位有漂移现象, 分析知是BGO 探测器温度变
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The design of programme -controlled gain and linear pulse amplifier
GUAN Xue -m ei 1, 2, QIAO Shuang 2, CH EN Chun -kai 1, 2, ZH OU Chuan -sheng 2
(1. M udanjiang N or mal U niv ersity , M udanjiang of H eilongjiang Pro v. 157012, China; 2. Physics Institute of N o rtheast No rmal U niversity, Changchun o f Jilin P rov. 130024, China)
Abstract We have designed a kind of new -st yle programme -cont rolled gain and linear pulse amplifier wit h accurate gausses of CR -RC -CR shaping circuit struct ure . T he use of non -volatile digit al electric po -t ent ial device and accurate operat ional amplif ier makes t he circuit struct ure simple greatly, makes the a -bilit y st rong er that resist s assault. It can realize multistage gain in succession and make the drift of t em -perat ure low and make t he linearity of pulse w ell.
Key words:programme -cont rolled; linear pulse amplif ier; digital elect ric potential; multichannel analyzer