CN211127736U

CN211127736U - 一种微弱脉冲信号放大电路

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Publication number: CN211127736U
Application number: CN201922299929.XU
Authority: CN
Inventors: 石苗; 桂龙刚; 徐道亮; 吴永仁; 管德赛
Original assignee: Northern Jiangsu Peoples Hospital
Current assignee: Northern Jiangsu Peoples Hospital; Subei Peoples Hospital of Jiangsu Province
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-12-19

Abstract

本实用新型涉及一种微弱脉冲信号放大电路，包括探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路、正电源电路以及负电源电路六个单元电路。所述探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路这四个单元电路是通过耦合电容串联的，其中一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路共同构成两级电压放大电路，整个电路的电压放大倍数是这两者各自的放大倍数的乘积。所述正负电源电路为整个电路提供工作电压。本实用新型电路既能实现电压放大，亦能实现电流放大，具有放大倍数高、信号频带宽、负载能力强、信噪比高、抗干扰能力强等优点。

Description

一种微弱脉冲信号放大电路

技术领域

本实用新型涉及一种微弱脉冲信号放大电路，属于核辐射探测技术领域。

背景技术

气体电离探测器由于其探测灵敏度高，在核辐射探测领域是一种被广泛运的探测器。当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。在这种情况下，若在构成探测器的收集极和高压极上加直流高压，那么这些电子和正离子就会在电场力的作用下分别被拉向正负两极并被收集，整个收集过程会形成脉冲电压信号。但气体电离探测器输出的电压脉冲信号是非常微弱的，电压幅值通常是微伏量级(10^-6V—10^-4V)，而用于计数处理的后级电路(简称计数电路，主要作用是对信号波形进行整形以及数字化处理)通常要求信号幅值至少达到伏量级(10⁰V)。显然，探测器输出的如此微弱的电压信号在被用于计数电路之前，必须对其进行电压放大处理。

目前行业上一般是在气体电离探测器的信号输出端封装一个的电荷灵敏前置放大器，由它对微弱脉冲信号进行放大处理。但单纯的电荷灵敏前置放大电器有两个主要缺陷：第一，电压放大倍数不能过大，当放大倍数过大时，信号会受运算放大器产生的有限增益带宽积(GBP)的影响，导致信号的带宽变小，这在一定程度上限制了这种放大电路的应用；第二，负载能力弱，抗干扰差，不能实现信号的远距离传输。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有问题，提供一种高放大倍数、高信噪比高、频带宽、抗干扰力强、负载能力强的微弱脉冲信号放大电路。

本实用新型的目的是这样实现的，一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：包括探测器输出电路、两级电压放大电路、电流放大电路、正电源电路以及负电源电路，两级电压放大电路由一级电荷灵敏放大电路和二级负反馈放大电路串联而成；

探测器输出电路与两级电压放大电路中的一级电荷灵敏放大电路电连接；电流放大电路与两级电压放大电路中的二级负反馈放大电路电连接；探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路通过耦合电容串联；正电源电路、负电源电路同时为一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路提供工作电压；

探测器输出电路产生脉冲信号，脉冲信号进入两级电压放大电路，脉冲信号在两级电压放大电路中依次经一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路进行电压放大，经电压放大的脉冲信号进入电流放大电路，经电流放大后输出信号。

所述探测器输出电路包括探测器、高压直流电源HV输出端、电阻R1、电容C1以及电容C9；其中，探测器的接地端接地，探测器的信号输出端同时与电阻R1一端、电容C1一端连接，电阻R1另一端同时与高压直流电源HV输出端、电容C9一端连接，电容C9另一端接地；

所述一级电荷灵敏放大电路包括电阻R2、运算放大器IC1、电容Cf和电阻R3；其中，电容C1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端、电容Cf一端同时与运算放大器IC1的负极信号输入端连接；电阻R2的另一端和运算放大器IC1的正极信号输入端都接地，电阻R3的另一端、电容Cf的另一端、运算放大器IC1的信号输出端同时与电容C2一端连接；

所述二级负反馈放大电路包括电容C2、电阻R4、电阻R5、运算放大器IC2；其中，电容C2的另一端和电阻R4的一端相连接，电阻R4另一端、电阻R5一端与运算放大器IC2的负极信号输入端连接，运算放大器IC2的正极信号输入端接地，电阻R5另一端、运算放大器IC2的信号输出端同时与电容C3一端连接；

所述电流放大电路包括电容C3、二极管D1、二极管D2、NPN晶体管、PNP晶体管、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电容C4；其中，二极管D1和二极管D2要求特性一致，NPN晶体管和PNP晶体管要求特性也一致，电阻R6和电阻R7的阻值相等，电阻R8和电阻R9的阻值也相等；电容C3另一端与二极管D1的负极、二极管D2的正极相连接，二极管D1的正极同时与电阻R6一端、三极管NPN的基级相连接，三极管NPN的发射极与电阻R8一端相连接，二极管D2的负极同时与电阻R7一端、三极管PNP的基级相连接，三极管PNP的发射级与电阻R9一端相连接，电阻R8另一端、电阻R9另一端与电容C4的一端同时相连接，电容C4另一端输出信号；

所述正电源电路包括正电源输出端+VCC、电感L1、电容C5和电容C6；所述电感L1、电容C5和电容C6构成“Π”型LC滤波器；其中，+VCC输出端分别与电容C5一端、电感L1一端相连接，电感L1另一端同时与电容C6一端、运算放大器IC1的正电源输入端、运算放大器IC2的正电源输入端、电阻R6另一端、三极管NPN集电极相连接，电容C5另一端和电容C6另一端都接地；

所述负电源电路包括负电源输出端-VCC、电感L2、电容C7和电容C8；所述电感L2、电容C7和电容C8构成“Π”型LC滤波器，其中，-VCC输出端分别与电容C7一端、电感L2一端相连接，电感L2另一端同时与电容C8一端、运算放大器IC1的负电源输入端、运算放大器IC2的负电源输入端、电阻R7另一端、三极管PNP集电极相连接，电容C7另一端和电容C8另一端都接地。

所述运算放大器IC1的型号为AD8065。

所述运算放大器IC2的型号为AD8065。

本实用新型的有益效果是：

第一，该电路对幅值极其微弱的电压信号的放大是依靠一级电荷灵敏放大电路和二级负反馈放大电路串联来实现的，其放大倍数是由这两个放大模块各自的放大倍数的乘积，所以一级电荷灵敏放大电路和二级负反馈放大电路各自的放大倍数都可以不用太高，进而整个电路不会受到运算放大器有限增益带宽积(GBP)和自身开环增益(OLG)的影响，且该电路可以保障运算放大器的输入端在获得较低水平偏置的同时获得高输入阻抗。所以，该电路同时具有放大倍数高、频带宽的优点。

第二，该电路中的电流放大电路部分设计巧妙，不但能实现电流放大，保证输出信号抗干扰、负载能力强，进而实现信号的远距离传输，还不会引起由于负半轴电压波形被截取而造成的波形失真。

第三，该电路不但对探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路以及电源电路部分都设计了过滤噪声波的单元，还在信号传输过程中的各放大模块之间增设了耦合电容，这些耦合电容可以对夹杂在脉冲信号中的直流噪声起到隔离作用。通过这些措施，有效降低了噪声，提高了整个电路的信噪比(信号电压幅值/噪声电压幅值)。

综上，本实用新型提供的一种微弱脉冲信号放大电路，包括探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路、正电源电路以及负电源电路六个单元电路。所述探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路这四个单元电路是通过耦合电容串联的，其中一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路共同构成两级电压放大电路，整个电路的电压放大倍数是这两者各自的放大倍数的乘积。所述正负电源电路为整个电路提供工作电压。本实用新型电路既能实现电压放大，也能实现电流放大，具有放大倍数高、信号频带宽、负载能力强、信噪比高、抗干扰能力强等优点。

附图说明

图1为本实用新型中电路原理图；

图2为电路结构框图；

图中，1探测器输出电路、2两级电压放大电路、2-1一级电荷灵敏放大电路、2-2二级负反馈放大电路、3电流放大电路、4正电源电路、5负电源电路。

具体实施方式

下面将结合说明书附图1，对本实用新型电路的结构进行大致描述：

一种微弱脉冲信号放大电路，包括探测器输出电路1、两级电压放大电路2、电流放大电路3、正电源电路4以及负电源电路5，两级电压放大电路2由一级电荷灵敏放大电路2-1和二级负反馈放大电路2-2串联而成；探测器输出电路1与两级电压放大电路2中的一级电荷灵敏放大电路2-1连接；电流放大电路3与两级电压放大电路2中的二级负反馈放大电路2-2连接；探测器输出电路1、一级电荷灵敏放大电路2-1、二级负反馈放大电路2-2、电流放大电路3通过电容串联；正电源电路、负电源电路同时为一级电荷灵敏放大电路2-1、二级负反馈放大电路2-2、电流放大电路3提供工作电压。

探测器输出电路1产生脉冲信号，脉冲信号进入两级电压放大电路2，脉冲信号在两级电压放大电路2中依次经一级电荷灵敏放大电路2-1、二级负反馈放大电路2-2进行电压放大，经电压放大的脉冲信号进入电流放大电路3，经电流放大后输出信号。

即：

第一步：脉冲信号由探测器输出电路1产生。

第二步：脉冲信号进入两级电压放大电路2进行电压放大，其中两级电压放大电路2由一级电荷灵敏放大电路2-1和二级负反馈放大电路2-2串联而成，其总电压放大倍数是这两者各自的放大倍数的乘积。

第三步，经电压放大的脉冲信号进入电流放大电路3，经电流放大后输出信号。

整个过程中，需要正负电源电路同时为二级电压放大电路和电流放大电路提供工作电压。

下面将结合说明书附图2，对本实用新型电路中的各部分单元电路的原理、功能及注意事项进行详细描述：

一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：包括探测器输出电路、一级电荷灵敏放大电路、二级负反馈放大电路、电流放大电路、正电源电路以及负电源电路构成，既能实现电压两级放大，还能实现电流放大。

所述探测器输出电路包括探测器、高压直流电源HV输出端、电阻R1、电容C1以及电容C9构成。其中：探测器接地端接地，信号输出端同时与电阻R1一端、电容C1一端连接，电阻R1另一端同时与高压直流电源HV输出端、电容C9一端连接，电容C9另一端接地。

所述一级电荷灵敏放大电路包括电阻R2、运算放大器IC1(型号为AD8065，放大倍数为A₀)、电容Cf和电阻R3构成。其中：电容C1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端、电容Cf一端同时与运算放大器IC1的负极信号输入端相连接。电阻R2的另一端和运算放大器IC1的正极信号输入端都接地，电阻R3的另一端、电容Cf的另一端、运算放大器IC1的信号输出端同时与电容C2一端相连接。

所述二级负反馈放大电路包括电容C2、电阻R4、电阻R5、运算放大器IC2(型号为AD8065，放大倍数为A₀)。其中：电容C2的另一端和电阻R4的一端相连接，电阻R4另一端、电阻R5一端与运算放大器IC2的负极信号输入端相连接，运算放大器IC2的正极信号输入端接地，电阻R5另一端、运算放大器IC2的信号输出端同时与电容C3一端相连接。

所述电流放大电路包括电容C3、二极管D1、二极管D2、NPN晶体管、PNP晶体管、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电容C4构成。其中，二极管D1和二极管D2要求特性一致，NPN晶体管和PNP晶体管要求特性也一致，电阻R6和电阻R7的阻值相等，电阻R8和电阻R9的阻值也相等。其中，电容C3另一端与二极管D1的负极、二极管D2的正极相连接，二极管D1的正极同时与电阻R6一端、三极管NPN的基级相连接，三极管NPN的发射极与电阻R8一端相连接，二极管D2的负极同时与电阻R7一端、三极管PNP的基级相连接，三极管PNP的发射级与电阻R9一端相连接，电阻R8另一端、电阻R9另一端与电容C4的一端同时相连接，电容C4另一端输出信号。

所述正电源电路包括正电源输出端+VCC、电感L1、电容C5和电容C6构成。所述电感L1、电容C5和电容C6构成“Π”型LC滤波器，其中：+VCC输出端分别与电容C5一端、电感L1一端相连接，电感L1另一端同时与电容C6一端、运算放大器IC1的正电源输入端、运算放大器IC2的正电源输入端、电阻R6另一端、三极管NPN集电极相连接，电容C5另一端和电容C6另一端都接地。

所述负电源电路包括负电源输出端-VCC、电感L2、电容C7和电容C8构成。所述电感L2、电容C7和电容C8构成“Π”型LC滤波器，其中：-VCC输出端分别与电容C7一端、电感L2一端相连接，电感L2另一端同时与电容C8一端、运算放大器IC1的负电源输入端、运算放大器IC2的负电源输入端、电阻R7另一端、三极管PNP集电极相连接，电容C7另一端和电容C8另一端都接地。

根据说明书附图2，在探测器输出电路中，探测器的工作电压是由高压直流电源HV提供的，对于探测器产生的脉冲信号而言，由于电阻R1的阻抗大，而电容C1阻抗小，可近似认为脉冲信号只会通过电容C1进入后面的一级电荷灵敏放大电路。电容C1起信号耦合作用，即隔离直流电压HV，而允许脉冲信号通过。电阻R1和电容C9构成RC低通滤波器，可避免高压直流电源模块产生的低频噪声进入一级电荷灵敏放大电路。

根据说明书附图2，在一级电荷灵敏放大电路中，电容C1电阻R2和还构成CR高通滤波器，通过选择合适的电容C1和电阻R2，可允许高于该滤波器截止频率的脉冲信号通过，而阻止低于截止频率的噪声进入放大器。电容Cf表示反馈电容，其值的大小直接决定了整个电荷灵敏放大电路的放大倍数，详细推导过程如下：

假设运算放大器IC1的放大倍数为A₀，输入端的总电容为C，运算放大器IC1的输入端形成的电压信号为Usr，探测器产生一个信号形成的平均电荷为Q。

当电流信号通过电容C1后，由于运算放大器IC1的输入阻抗很高，可近似认为电流不会通过运算放大器IC1，而通过电容Cf并为其充电。则

C＝(1+A₀)Cf (1)

运算放大器IC1的输入端形成的电压信号Usr为

因为运算放大器IC1的放大倍数(A₀)远大于1，则

由于运算放大器IC1为负反馈连接，所以放大器的输出电压信号U_sc为

由(4)式可知，该放大器输出的电压脉冲信号Usc与探测器产生的电荷Q成正比，而与运算放大器的放大倍数A₀无关。因为探测器产生的单位电荷通过该放大器可输出电压幅值为Usc＝-1/Cf，该电压称为电荷灵敏电压，我们称该放大器为电荷灵敏放大器，其电压放大倍数为1/Cf，所以我们可以通过改变Cf值来改变电荷灵敏放大电路的放大倍数。

电阻R3用于泄放电容Cf上存储的电荷：当一个脉冲信号电流为Cf充电后，必须将Cf中的电荷迅速释放掉，才能继续让下一个信号电流为其充电，否则会造成以下两种后果：一是电容不断被充电，若不释放电荷将会造成Cf被击穿，二是不同的脉冲信号累计导致信号的堆积。由于电阻R3的存在，Cf中存储的电荷可迅速通过并联电阻R3来释放，从而确保Usc归零。电阻R3和电容Cf构成的时间常数T＝R3Cf决定了电容Cf中的电荷释放速度，时间常数T越小，则充、放电速度越快。由于1/Cf决定了电荷灵敏放大电路的放大倍数，所以Cf值应选小值，但电阻R3值不能太小，否则放电速度过快会影响信号电流对电容Cf的充电，所以电阻R3不能太小也不能太大。

若仅仅采用一级电荷灵敏放大电路，当电压放大倍数过大时，脉冲信号会受运算放大器有限增益带宽积(GBP)的影响，导致信号的脉宽变小，所以电荷灵敏放大电路的放大倍数-1/Cf不能过大。为解决此问题，本实用新型在一级电荷灵敏放大的后面串联了一个二级负反馈放大电路。

根据说明书附图2，在二级负反馈放大电路中，放大倍数由电阻R4和电阻R5决定，其放大倍数为-R5/R4。电阻C2的作用是信号耦合，即隔离直流噪声信号，而允许脉冲信号通过。

根据前面所述，脉冲信号通过两级电压放大之后，总电压放大倍数为(-1/Cf)*(-R5/R4)。为保证脉冲电压信号具备足够的抗干扰能力和负载能力，以实现脉冲信号的远距离传输，本实用新型在二级负反馈电路的后面串联了一个电流放大电路。

通常，电流放大可采用主要由三极管NPN构成的射极跟随器来代替，它具有输入阻抗高、输出阻抗低、带负载能力强等优点。但由于其发射极带负载电阻，在输出电流很大时也就是阻抗较低情况时，输出波形的负半轴会被截去，不能得到完整的输出最大电压，从而导致信号失真。为提升性能并改善这个缺点，工程上通常将发射极负载电阻换成PNP三级管构成常规的推挽射极跟随器。

但本实用新型对这种常规的推挽射极跟随器又作了如下优化改进：

根据说明书附图2，在电流放大电路中，二极管D1和二极管D2特性完全一样。三极管NPN和三极管PNP的特性也要求一致，电阻R6和电阻R7的阻值相同，电阻R8和电阻R9的阻值也相同。电阻R6和电阻R7分别是三极管NPN和三极管PNP的基极偏置电阻，电阻R8、电阻R9分别是三极管NPN和三极管PNP的发射极电阻。电容C3和电容C4用于信号耦合，即隔离直流噪声，而允许脉冲信号通过。电阻R6和电阻R7的作用是为了保证电流放大电路的信号输入端的直流偏置电压为0伏。电阻R8和电阻R9作为发射极电阻的作用一方面是为了保证电流放大电路的信号输出端的直流偏置电压为0伏，另一方面是为了限流，避免因电流过大而导致三极管热击穿。由于R8和R9的引入，整个电流放大器的输出阻抗也非0欧姆，为了保证阻抗较低，电阻R8和电阻R9的阻值不能过大，只需保证三极管集电极电流为10mA左右即可。

二极管D1和二极管D2的作用是消除三极管引起的波形失真。具体分析如下：假若没有D1和D2这两个二极管，NPN和PNP的基极电位相同。当输出信号为0伏时，基极和发射极间无电势差，基极不会产生电流，此时若三极管处于截止区而停止工作，则会造成信号的开关失真。只有当NPN的基极电势比发射极高约0.6V时，三极管方可工作。由于晶体二极管具有约0.6V的正向压降，当电路中引入二极管D1和二极管D2时，约0.6V的正向电压降正好可用于三极管的补偿电压，从而消除信号开关失真。

根据说明书附图2，正电源电路和负电源电路的作用是为了给整个放大电路提供直流工作电压，正负电源的电压绝对值要求必须相等，本实用新型在±VCC的输出端设计了由一个电感和两个电容构成的“Π”型LC滤波器，以消除±VCC电源带来的交流噪声进入信号传输通道，提高电路信噪比。

Claims

1.一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：包括探测器输出电路（1）、两级电压放大电路（2）、电流放大电路（3）、正电源电路（4）以及负电源电路（5），两级电压放大电路（2）由一级电荷灵敏放大电路（2-1）和二级负反馈放大电路（2-2）串联而成；

探测器输出电路（1）与两级电压放大电路（2）中的一级电荷灵敏放大电路（2-1）连接；电流放大电路（3）与两级电压放大电路（2）中的二级负反馈放大电路（2-2）连接；探测器输出电路（1）、一级电荷灵敏放大电路（2-1）、二级负反馈放大电路（2-2）、电流放大电路（3）通过电容串联；正电源电路、负电源电路同时为一级电荷灵敏放大电路（2-1）、二级负反馈放大电路（2-2）、电流放大电路（3）提供工作电压；

探测器输出电路（1）产生脉冲信号，脉冲信号进入两级电压放大电路（2），脉冲信号在两级电压放大电路（2）中依次经一级电荷灵敏放大电路（2-1）、二级负反馈放大电路（2-2）进行电压放大，经电压放大的脉冲信号进入电流放大电路（3），经电流放大后输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：

所述一级电荷灵敏放大电路包括电阻R2、运算放大器IC1、电容Cf和电阻R3；其中，电容C1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端、电容Cf一端同时与运算放大器IC1的负极信号输入端相连接；电阻R2的另一端和运算放大器IC1的正极信号输入端都接地，电阻R3的另一端、电容Cf的另一端、运算放大器IC1的信号输出端同时与电容C2一端连接；

所述二级负反馈放大电路包括电容C2、电阻R4、电阻R5、运算放大器IC2；其中，电容C2的另一端和电阻R4的一端相连接，电阻R4另一端、电阻R5一端与运算放大器IC2的负极信号输入端相连接，运算放大器IC2的正极信号输入端接地，电阻R5另一端、运算放大器IC2的信号输出端同时与电容C3一端连接；

3.根据权利要求2所述的一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：所述运算放大器IC1的型号为AD8065。

4.根据权利要求2所述的一种微弱脉冲信号放大电路，其特征是：所述运算放大器IC2的型号为AD8065。