脉冲峰值保持器的设计方法与元件选择.doc

第3l卷第12期 核电子学与探测技术 V01．3l No．12 2011年12月 Nuclear Elec呐nicsDetecti∞Technology 20“ Dec． 脉冲峰值保持器的设计方法与元件选择 陈国杰，曹 辉，周有平 (佛山科技学院理学院，广东佛山528000) 摘要：从峰值保持器的原理出发，从理论上导出了放大器的转换速度、输出电流及保持电容与输入 脉冲的上升时间、动态范围的数学式，分析了峰值保持器的主要性能，介绍了放大器和保持电容的选择 方法，用OPA615芯片设计了一种高速脉冲峰值保持器。 关键词：峰值保持器；跨导放大器；脉冲 中图分类号：TN 202 文献标识码：A 文章编号：0258明34(2011)12· 1378J略 峰值保持器是能谱、光电检测等快速窄脉 冲测量系统的重要电路。目前已报道了多种电 l 峰值保持器的性能分析与元件选择 路结构¨。J，用于测量不同上升时间和动态范 峰值保持器的基本结构如图1所示，由放 围的脉冲幅度。峰值保持器要求线性良好、灵 大器A、保持二极管D、保持电容cH、缓冲跟随 敏度高和通频带宽。在峰值保持器中，放大器 器B等元件组成。为了获得大动态范围和带 和保持电容是核心元件，它们的性能直接影响 宽，峰值保持器的增益通常取为l。当脉冲信 峰值保持器的响应速度、过冲大小、保持精度及 号阢到来时，D导通，C。充电，当充电到脉冲峰 成本高低。这些元件的性能选得太高，则成本 值时D截止，CH就保持脉冲配的峰值。保持电 容和放大器是影响峰值保持器性能的主要元 高；性能选得太低，又不能满足要求。但是，目 件，它们的合理选择是设计峰值保持器的关键。 前没有文献从理论上系统介绍放大器、保持电 容等元件的选择方法及峰值保持器的性能分 析。 本文从峰值保持器的一般结构和工作原理 出发，从理论上导出放大器的转换速度、输出电 流及保持电容与输入脉冲的上升时间、动态范 图1峰值保持器原理图 围等参数的数学式。利用这些数学式，分析峰 1．1脉冲压摆率与放大器的选择 值保持器的主要性能，为选择放大器和保持电 1．1．1脉冲压摆率与带宽 容提供理论依据，并用OPA615芯片设计一种 输入和输出脉冲的摆率(电压变化率)是 纳秒级高速脉冲峰值保值器。 衡量放大器信号处理速度的重要指标。在能谱 测量等实际应用中，大多数是指数脉冲。设脉 冲的峰值为‰，时间常数为t，则指数脉冲可 收稿日期：20ll— 08— 23 基金项目：广东省自然科学基金 表示为： (S2011010001224)。 玑=‰(1一e“q) (1) 作者简介：陈国杰(1965一)，男，湖南祁东人，博士， 对式(1)微分，并考虑到指数脉冲上升时 主要从事物理电子和光电器件研究。 间￡，=2．2丁i— J，则脉冲电压的最大变化率为： 1378 万方数据  dui u妇 2．2ui|，I 2 百L i一一t， 对于上升时间为z，的脉冲，其带宽以为H’： 流)，。一为： kG x警l：％×毕(7) Q‘lm缸 。7 ‘=学 (3) 式(7)显示，输入脉冲的电压变化率越大， 放大器的输出电流就要越大。例如，设t。=500 由式(3)看出，t，越小以越大。例如，￡，=5 ns，ui。=5 V，CH=22 pF，则由式(7)求得放大 m以=70 MHz；￡，=50 nsZ=7MHz。 器的输出电流要满足，衄0．48 mA，可用最大 1．1．2放大器转换速度的选择 输出电流为O．6 mA的跨导放大器CA3080来 在保持器中，由于放大器的转换速率有限， 驱动。若t，=50璐，％=5 V，“=22 pF，则由 当输入脉冲的电压上升速率太大、特别是输入 式(7)求得，。。4．84 Il认，此时CH不能用 阶跃脉冲时，保持器的输出波形将产生畸变。 CA3080驱动，可用最大输出电流为20 rnA的 为了使保持器输出波形不失真，放大器的转换 跨导放大器MAx436来驱动。 速度S。必须满足： 1．2保持器的带宽与保持电容的选择 s^半I m (4) 将式(2)代入式(4)得： 峰值保持器分电压型和跨导型两种? 。 电压型峰值保持器通频带窄(小于2 MHz)、动 态范围小(一般大于200 lnv)、电压过冲大? ， Im“ S。竺=-坚 (5) n f， 由式(5)可知，对于指数输入脉冲，t，越小 (频带越宽)、配。越大，s。就要越大；而且放大 器转换速率允许处理的脉冲带宽远小于放大器 的小信号带宽。例如，运算放大器LH0033的 S矗=l 500 V／斗s，当输入脉冲u．m=5 V时，由式 一般用于慢信号峰值保持。跨导运算放大器是 压控电流源，输出电流几乎与负载无关，因此跨 导型峰值保持器的通频带宽、动态特性好、电压 过冲小，用于