CN108155893A - 用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，首先获取宽禁带半导体探测器的输出信号，并将该输出信号输入到通过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，再将其输入到滤波成形电路进行一次过滤，滤波成形电路采用最少级的准高斯滤波对信号进行处理，只允许信号中设定频率M1范围内的成分通过；其次，将前述经过滤波成形电路过滤的信号输入到极零相消电路中，经过极零相消电路使得信号变窄到一定值时，此时电压脉冲信号顶部比较平坦；再次，将经过极零相消电路后的信号输入到单极恢复电路中，使得信号为单极信号，而后将经过单极恢复电路的信号经过带通滤波电路，再经过放大电路对信号进行放大后得到最终的脉冲放大信号。本发明能够获得探测器最佳的信噪比的脉冲放大信号。

Description

用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法

技术领域

本发明涉及半导体的探测器信号放大领域，尤其涉及用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法。

背景技术

目前，半导体核辐射探测器晶体材料的电极输出信号需要经过前置放大和整形放大两个过程。在传统核辐射探测电子学电路里，如果采用像素阵列电极CdZnTe晶体进行能谱探测，更多的探测通道数就意味着更多的信号甑别电路及多道分析电路，整个探测系统的脉冲信号处理电路会十分繁杂及庞大，所以目前通常采用具有更低成本、更高信号处理速率的小体积高速数字处理系统。数字化信号处理分析技术通过将整形脉冲信号数字采样、保持及后处理，使得高能辐射诊断系统的电路更为紧凑，集成度更高。这一数字信号处理系统最大的优点是在时间分辨率和能量分辨率能力上具有更高的灵活性。这意味着如果信号电平较低，则计数时间会相应增加，同时能道也会展宽以确保更好的能谱统计结果。如果信号电平较高，系统将采用更精细的能道区间以获得更高的能量分辨率。但是缺乏一种有效的用于宽禁带半导体探测器的脉冲放大方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种抑制系统噪声、滤除高频的信号噪声的用于宽禁带半导体探测器的脉冲放大方法。

本发明技术方案如下：一种用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其包括以下步骤：

首先获取宽禁带II-VI族化合物半导体探测器的输出信号，并将该输出信号输入到通过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，再将其输入到滤波成形电路进行一次过滤，滤波成形电路采用最少级的准高斯滤波对信号进行处理，传递过程中通过时间因子和幅度因子进行参数变换；变换后对一个二次微分方程在时域中进行求解，获得高斯成形系统的单位冲激响应，进行傅里叶变换转换到频域响应，根据频率响应结果获得滤波成形电路最优电容值，只允许信号中设定频率M1范围内的成分通过；其次，将前述经过滤波成形电路过滤的信号输入到极零相消电路中，经过极零相消电路使得信号变窄到一定值时，此时电压脉冲信号顶部比较平坦；再次，将经过极零相消电路后的信号输入到单极恢复电路中，使得信号为单极信号，而后将经过单极恢复电路的信号经过带通滤波电路，再经过放大电路对信号进行放大后得到最终的脉冲放大信号。

进一步的，所述滤波成形电路由放大器P2、放大器P3、电阻R10-电阻R19、极性电容C6-极性电容C10，二极管D4-二极管D6组成，连接时，极性电容C7的正极经电阻R10后与二极管D4的P极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接。极性电容C6的正极与二极管D4的P极相连接、负极作为高通滤波电路的输入端并与声音采集器相连接，极性电容C9的正极顺次经电阻R13和电阻R11后与二极管D4的P极相连接、负极经电阻R18后与放大器P3的负极相连接，极性电容C8的负极经电阻R14后与放大器P2的输出端相连接、正极经电阻R12后与放大器P2的负极相连接，所述二极管D5的P极经电阻R15后与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P3的正极相连接，极性电容C10的正极经电阻R16后与二极管D5的P极相连接、负极经电阻R19后与放大器P3的输出端相连接。二极管D6的P极与放大器P3的输出端相连接、N极经电阻R17后与极性电容C9的负极相连接，所述二极管D4的N极与放大器P2的正极相连接；所述极性电容C8的正极接地；所述放大器P3的输出端作为高通滤波电路的输出端并与QX9910M集成芯片的SET管脚相连接。

进一步的，所述设定频率M1范围设定为3300HZ到6500HZ，而不是采用传统普遍采用的6500HZ，是为了更大范围的过滤掉高频噪声信号。

进一步的，所述带通滤波器采用RLC振荡回路。

进一步的，所述阻抗匹配电路采用串联阻抗匹配器。

进一步的，所述单极恢复电路采用负反馈式基线恢复电路。

进一步的，所述增益放大电路采用电压放大电路。

有益效果：本发明能够的探测器电流脉冲并不是理想冲击信号，存在着一定宽度和一定形状，而电子学系统中脉冲整形电路对于信号响应受到脉冲信号峰值及半高宽(FWHM)的影响，输出信号幅度会随之发生变化，而电流脉冲信号的峰值及半高宽(FWHM)在某些探测器中往往亦是随机变化的，因而也会引起谱线展宽。本准高斯滤波整形放大方法设计中的极零相消电路设计使射线核脉冲宽度尽可能变窄，这样可以尽量减少信号堆积和一定程度上避免基线涨落。同时它可以减小径迹亏损同时使信号的顶部比较平坦。此电路还可以防止信号过大造成后续放大器饱和使信号失真，同时使信号都为单极性信号，尽量消除信号尾部的反冲现象。本发明通过带通滤波器、滤波成形电路进行两次滤波实现系统噪声抑制，滤除高频的信号噪声，使成形波形尽可能的接近无限尖顶脉冲，使系统获得最佳的信噪比。

缩短了脉冲整形周期，减少探测器信号的堆积和基线的涨落，提高电路的计数率响应。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的用于宽禁带II-VI族化合物半导体探测器的脉冲放大方法流程图；

图2是滤波成形电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示为一种用于宽禁带II-VI族化合物半导体探测器的脉冲放大方法，其包括以下步骤：

首先获取宽禁带II-VI族化合物半导体探测器的输出信号，并将该输出信号输入到通过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，再将其输入到带通滤波器电路进行一次过滤，只允许信号中设定频率M1范围内的成分通过；其次，将前述经过带通滤波器过滤的信号输入到极零相消电路中，经过极零相消电路使得信号变窄到一定值时，此时电压脉冲信号顶部比较平坦；再次，将经过极零相消电路后的信号输入到单极恢复电路中，使得信号为单极信号，而后将经过单极恢复电路的信号经过滤波成形电路，滤波成形电路采用最少级的准高斯滤波对信号进行处理，传递过程中通过时间因子和幅度因子进行参数变换；变换后对一个二次微分方程在时域中进行求解，获得高斯成形系统的单位冲激响应，进行傅里叶变换转换到频域响应，根据频率响应根据频率响应结果获得滤波成形电路最优电容值，再经过放大电路对信号进行放大后得到最终的脉冲放大信号；以上步骤是密不可分的，正是因为以上步骤的结合使用，且本发明经过实验证明才能达到系统获得最佳的信噪比。缩短了脉冲整形周期，减少探测器信号的堆积和基线的涨落，提高电路的计数率响应的效果。

如图2所示，所述滤波成形电路由放大器P2、放大器P3、电阻R10-电阻R19、极性电容C6-极性电容C10，二极管D4-二极管D6组成，连接时，极性电容C7的正极经电阻R10后与二极管D4的P极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接。极性电容C6的正极与二极管D4的P极相连接、负极作为高通滤波电路的输入端并与声音采集器相连接，极性电容C9的正极顺次经电阻R13和电阻R11后与二极管D4的P极相连接、负极经电阻R18后与放大器P3的负极相连接，极性电容C8的负极经电阻R14后与放大器P2的输出端相连接、正极经电阻R12后与放大器P2的负极相连接，所述二极管D5的P极经电阻R15后与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P3的正极相连接，极性电容C10的正极经电阻R16后与二极管D5的P极相连接、负极经电阻R19后与放大器P3的输出端相连接。二极管D6的P极与放大器P3的输出端相连接、N极经电阻R17后与极性电容C9的负极相连接，所述二极管D4的N极与放大器P2的正极相连接；所述极性电容C8的正极接地；所述放大器P3的输出端作为高通滤波电路的输出端并与QX9910M集成芯片的SET管脚相连接。

优选的，所述设定频率M1范围设定为3300HZ到6500HZ。

优选的，所述带通滤波器采用RLC振荡回路。

优选的，所述阻抗匹配电路采用串联阻抗匹配器。以下是阻抗匹配的介绍：阻抗匹配(impedance matching)信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。否则，便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。

信号线滤波器的主要作用是解决空间电磁干扰问题，例如设备向空间辐射较强的电磁干扰，或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题。前面看到的信号线电缆与电源线电缆之间的耦合导致传导发射在高频超标的现象，就是由于信号线上的高频干扰通过空间耦合到了电源线上造成的。出现这种现象是因为信号电缆本身就是一条效率很高的辐射和接收天线，它造成的危害如下：

1)造成很强的超标辐射：机箱内的电磁能量在电缆上感应出共模电压和电流，共模电流在电缆上流动，产生了共模辐射。这种辐射往往是设备产生超标辐射的主要原因。

2)设备周围环境空间中的电磁能量被电缆接收到后，形成共模电流，沿着导线传进机箱，一方面对与电缆直接连接的电路产生干扰，另一方面借助导线再次辐射，对机箱内的其它电路(没有直接与电缆连接的电路)造成干扰。

3)造成屏蔽体或隔离层被破坏，产生这种作用的原因也是电缆的对电磁波的接收和再次辐射，导致电磁能量通过电缆泄漏，从现象上看就是屏蔽体的屏蔽效能将低。

理论和实验均表明：设备上的电缆是电磁兼容上最薄弱的环节。信号线滤波器的作用就是解决上述三个方面的问题。下面的结论是十分重要的：

任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果和隔离效果，对这些导线，必须采取滤波措施。

信号线滤波以共模滤波为主。这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的，而对信号电缆上传输的差模信号，希望不产生任何影响。

优选的，所述单极恢复电路采用负反馈式基线恢复电路。这也是一创新点，惯常涉及是采用CDD基线恢复器或CD基线恢复器，但是其数据处理精度差，但是其是最容易实现的，但是其由于没有反馈机制，因此导致其抗干扰性差，而本发明采用了负反馈式基线恢复电路电路，通过负反馈可以实时调节，防止干扰。本发明才能够防止信号过大造成后续放大器饱和使信号失真，同时使信号都为单极性信号，尽量消除信号尾部的反冲现象。

优选的，所述增益放大电路采用电压放大电路。以上关于带通滤波器、阻抗匹配电路、负反馈式基线恢复电路、电压放大电路均采用现有文献中常用的电路，在此不再赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先获取宽禁带II-VI族化合物半导体探测器的输出信号，并将该输出信号输入到通过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，再将其输入到滤波成形电路进行一次过滤，滤波成形电路采用最少级的准高斯滤波对信号进行处理，传递过程中通过时间因子和幅度因子进行参数变换；变换后对一个二次微分方程在时域中进行求解，获得高斯成形系统的单位冲激响应，进行傅里叶变换转换到频域响应，根据频率响应结果获得滤波成形电路最优电容值，只允许信号中设定频率M1范围内的成分通过；其次，将前述经过滤波成形电路过滤的信号输入到极零相消电路中，经过极零相消电路使得信号变窄到一定值时，此时电压脉冲信号顶部比较平坦；再次，将经过极零相消电路后的信号输入到单极恢复电路中，使得信号为单极信号，而后将经过单极恢复电路的信号经过带通滤波电路，再经过放大电路对信号进行放大后得到最终的脉冲放大信号。

2.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述滤波成形电路由放大器P2、放大器P3、电阻R10-电阻R19、极性电容C6-极性电容C10，二极管D4-二极管D6组成，连接时，极性电容C7的正极经电阻R10后与二极管D4的P极相连接、负极与放大器P2的输出端相连接。极性电容C6的正极与二极管D4的P极相连接、负极作为高通滤波电路的输入端并与声音采集器相连接，极性电容C9的正极顺次经电阻R13和电阻R11后与二极管D4的P极相连接、负极经电阻R18后与放大器P3的负极相连接，极性电容C8的负极经电阻R14后与放大器P2的输出端相连接、正极经电阻R12后与放大器P2的负极相连接，所述二极管D5的P极经电阻R15后与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P3的正极相连接，极性电容C10的正极经电阻R16后与二极管D5的P极相连接、负极经电阻R19后与放大器P3的输出端相连接。二极管D6的P极与放大器P3的输出端相连接、N极经电阻R17后与极性电容C9的负极相连接，所述二极管D4的N极与放大器P2的正极相连接；所述极性电容C8的正极接地；所述放大器P3的输出端作为高通滤波电路的输出端并与QX9910M集成芯片的SET管脚相连接。

3.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述设定频率M1范围设定为1250HZ到3300HZ。

4.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述带通滤波器采用RLC振荡回路。

5.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述阻抗匹配电路采用串联阻抗匹配器。

6.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述单极恢复电路采用负反馈式基线恢复电路。

7.根据权利要求1所述的用于宽禁带半导体探测器的脉冲信号放大方法，其特征在于，所述增益放大电路采用电压放大电路。