《核辐射探测器前端电子学设计方法研究》彭进先.pdf

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1、核辐射探测器前端电子学设计方法研究彭进先国防科学技术大学主要内容1液体闪烁体探测器的输出信号22电荷灵敏前置放大器设计3谱仪放大器设计44半实物仿真可行性分析5噪声特性的测试1.BC501A型液体闪烁体探测器的输出信号液体闪烁体探测器的输出电流信号1.210.80.60.4归一化幅度0.20020406080100120140160180200Time(ns)2.电荷灵敏前置放大器设计传统电荷灵敏前放设计多采用分立元件或分立元件+集成运放的设计思路，本文采用了基于集成运放的电荷灵敏前放设计结构。1j1

2、1Cj1j1ff22.电荷灵敏前置放大器设计RRC211由其中，RCRC2fff111f1RR121Hj若输入理想的电流脉冲i(t)=Qδ(t)，则DCj1f2Q1电荷灵敏前置放大器输出1.4VIHjjj=oDCj11.2f21反变换得0.8Q0.6t2Magnitude(V)vteutoC0.4f0.200102030405060708090100Time(us)3.谱仪放大器设计21s121122222

3、222sss1ss221s2121系统传递函数为Hs11222222ss22sss223.谱仪放大器设计实际中，由于运放、电阻和电容并非理想的元件，实际的硬件电路输出和理论计算有一定的差距，一般要进行系数修正。令s=0，则理论的放大倍数为0.05；而谱仪放大器的输入为1V的直流信号时，输出为0.031，修正的放大系数为0.62。因此修正后的传递函数为1s2121Hs0.6211222222ss22sss224.半

4、实物仿真可行性分析①利用双线性变换法将连续时间系统函数H(s)变为离散时间系统函数H(z)12345bbzbzbzbzbz012345Hz0.6212345aazazazazaz012345151051b02fsb16fsb24fsb4-6fsb5-2fs11111a0=8f+20f+24f+16f+6f+45ssss34232s1a1=40f60f24f+16f+18f+45ssss34232s5a2=8

5、0f+40f45ssss3448f2332f+12f+2s10a3=-80f+40f+48f45ssss342332f-12f+2s10a4=40f45ssss60f+24f+16f-18f+34232s5a=-8f+20f-24f+16f-6f+453423215sssss4.半实物仿真可行性分析将fs=107Hz，τ=20μs，τ=1μs代入H(s)和H(z)求得系统的幅频响应。1谱仪和数字化谱仪的幅度响应0-10-20-30-40MagnitudedB

6、-50-60-70模拟数字-8033.544.555.566.57Frequency(rad/s)dB4.半实物仿真可行性分析②利用自相关辨识系统的幅频响应2HS2yHSx4.半实物仿真可行性分析由Agilent33522A产生PSD法得到的幅度平方响应并与理论值对比202MHz的带限噪声，得到系统的0-20幅度平方响应，理论值与PSD法-40得到的对比（采样107Hz，采样-6015-80点数为10k，采用直接法作2点MagnitudedB-100的功率谱估计，则频率分辨率-1

7、203-140约为305Hz=1.9×10rad/s），理论值-160PSD可以验证二者基本吻合。-18033.544.555.566.577.5Frequency(rad/s)dB4.半实物仿真可行性分析③谱仪成形和数字化谱仪成形效果对比调节Agilent33522A使输出频率f=1kHz，上升时间为8.4ns且宽度为500µs，幅度为1.5Vpp的信号。信号经过谱仪成形和数字成形的输出谱仪数字0.250.20.15Magnitude(V)0.10.0501015202530354045Time(us)

8、5.噪声特性测试前置放大器的噪声特性和后接的成形滤波器器有关。下面分别用谱仪成形和数字化谱仪成形测量前放的噪声特性。Vp等效噪声电荷FWHMNC2.355CVcnoVo5.噪声特性测试前放的测试电容为200pF，RC=CR=1μs，当输入为1.5Vpp时，可得谱仪输出V=0.276V；数字化谱仪输出V=0.292V。无信号输入时，前o1o2放、谱仪及谱仪数字输出如下图所示噪声经过谱仪成形和数字成形的输出0.010.005前放