核辐射探测器前端高斯成形电路研究与改进

宿凌超，雷茂，姚远程

（西南科技大学信息工程学院，特殊环境机器人技术四川省重点实验室，绵阳621010）

0 引言

核辐射探测器模拟前端电路是对探测器输出的微弱电流信号实现电流电压转换，信号峰值放大，波形向准高斯成形等变换的必要调理电路[1-2]。前端电路主要含括前置放大器以及谱仪放大器。谱仪放大器除对信号实现放大外还主要针对信号的准高斯整形展开工作。为更加高效合理地搭建前端信号调理电路以匹配后端的多道脉冲采集分析系统，对前端各模块的理论分析与电路仿真必不可少。NI Multisim软件在高校与科研机构进行电路仿真与处理时被广泛采用。防化研究院科研人员胡颖睿等于2012年对数字多道幅度分析仪器中的前端信号调理电路进行部分仿真[5]。同年西南科技大学吴军龙等人也针对CR-（RC）m滤波成形电路展开过仿真研究[7]。中国地质大学张志勇等人也曾对脉冲成形中的Sallen-Key有源滤波电路进行剖析仿真[10]。上述涉及文献均未能对前端信号调理电路进行详尽的总体仿真以及滤波成形电路的改进。本文Multisim仿真平台上首先对采用经典CR-（RC）m与Sallen-Key高斯成形法的核脉冲前端调理电路分别进行仿真，在对比分析中改进出一种（SK）-（RC）混合滤波电路，基于新型滤波电路的前端电子学在实际仿真中已经取得较为满意的效果，进一步优化了前人所设计的前端电路结构。

1 核脉冲发生及前置放大器的仿真

目前，高分辨率能谱测量系统中，核辐射探测器输出的持续时间极短的微弱电流信号I（t），几乎全部采用电荷灵敏前置放大器进行处理，经前放变换而成的信号幅度与输入电流对时间的积分成正比关系，放大器的输出电压和输入电荷一般可以保持良好的正比关系。如图1所示为典型的阻容反馈式电荷灵敏放大电路。

图1 阻容反馈式电荷灵敏前置放大器

利用密勒积分器构成的前置放大器输出信号的电压稳定值：

式中Vi（∞）为输入信号电压稳定值。输入电荷：

考虑到：

公式合并整理后，求得输出信号稳定值Vo(∞)，亦即输出电压幅度：

式中Ci为输入端总电容，Ci=CD+CS+CA，CD，CA，CS分别为探测器极间电容，放大器输入电容以及系统分布电容。Cf（反馈积分电容）与并联电阻Rf（泄放电阻）构成反馈网络，为电荷提供泄放通路。

设电压放大器的低频增益Ao足够大，使得Cf对输入电容的贡献远大于Ci，则输入电荷Q主要累积在Cf上。此时推断出：

故而本文设计的电路仿真系统中拟将电流脉冲信号源I1模拟工作在脉冲模式下的核辐射探测器。由于电信号产生后强度非常弱且时域宽度过于短暂，要求集成运放兼备开环增益大，输入阻抗高，输出稳定性好的特点。此外，频带宽度以及响应速度也至关重要。因此选用AD公司的Fast FET类型放大器AD8066，压摆率达到180V/s，145MHz的-3dB带宽，开环状态下增益为100dB，理想态输入阻抗1000GΩ。具体设计如图2所示。

图2 前置放大器仿真电路图

上图2将电路参数反复调试后通过图3示波器观测信号。电荷灵敏前放输入端为时间宽度极窄的原始电压负脉冲信号，而理论分析中阻容反馈式电荷灵敏前放输出大致为后沿衰减时间较长的指数型脉冲的叠加，如果脉冲间隔太短，则会出现上升态的类似阶梯波。仿真实际结果与理论分析可以相互印证。

图3 前置放大器输入输出信号图

2 引入极零相消技术的微分电路

为达到消除前置放大器输出信号存在堆积拖尾现象，微分电路可有效地将前放输出波形中有用信号部分存留下来，滤除无用成分。但由于信号固有的前沿上升迅速而后沿衰减缓慢的特性，通过CR微分电路时普遍会产生下冲现象，致使放大器阻塞后进入非线性区而失去放大功能。

过载输出信号回复到基线的时间相当漫长，必须引入极零相消技术消除成形电路产生的信号下冲现象。该方法使单极性输出脉冲的后沿快速收敛却又不过零，从而有效地减少堆积，改善高计数率下的幅度分辨。此外电路的参数必须选择合适，否则仍会出现存在细微下冲的欠补偿现象和没有过基线却迟迟不能趋向于零的过补偿两种情况。本文设计的电路仿真中该部分如图4所示。

图4 引入极零相消技术的微分电路

设电位器R3可动滑动点A以下部分的电阻阻值为KR3（0≤K≤1），通常阻值比较大，R1中的电流远小于R3中的电流，因此可认定A点的电位为VA=KVi，并有：

系统传递函数：

仿真结果非常直观地呈现出极零相消技术的有效性，只要适当调节电路参数使得τ1=RfCf=τf（系统的一个极点和一个零点相抵消），可以在使波形后沿迅速收敛的同时有效地保证没有下冲现象。采用图中极零相消电路结构可使调节范围达到（R1C→∞），克服了简单极零相消电路因为电阻值受限而调节范围不能足够理想的缺点。

图5 极零相消电路输入输出信号图

3 经典滤波成形电路

查询最优化滤波理论的研究可知晓，时间域无限展宽而波形顶部较尖锐的脉冲具有最佳的信躁比。然而由于实际电路一般都存在转换时间，无限宽尖顶脉冲滤波成形器在实际处理中暂时无法实现，并且为适应后续分析设备的测量要求，信号必须时间宽度较窄且顶部比较平坦，通常将准高斯形成形电路作为核仪器的最优滤波器，以提高信号噪声比、能量分辨率和抑制核电子学的弹道亏损。传统高斯滤波器的实现方式主要有2种：①基于CR-（RC）m方法的高斯滤波器；②基于Sallen-Key方法的高斯滤波器。

3.1 基于CR-（RC）m方法的高斯成形电路

基于模拟电路建立的经典核脉冲调理系统中，CR电路常作为白化滤波器，RC电路是所需匹配滤波器的简单近似，多级RC积分电路可以有更好的特性。如图6所示，CR-（RC）m滤波成形网络由一次CR微分和m次RC积分电路组成，有时极间用电压跟随器隔离，以免相互影响。通常微积分电路中RC时间常数相同以求达到最优信噪比（根据最佳滤波原理）。

图6 CR-（RC）m滤波成形网络

该无源阻容滤波电路的阻容值选取依据前放部分的输出而确定，对于系统在复频域中展开分析时不难发现。积分级数每增加1，s域便会增加一个极点，相对于时域则是信号以指数函数为权进行一次平均。因此成形的波形幅度逐渐变小，峰位逐渐后移，脉冲的时间宽度增大，峰两边的波形越发趋于对称，向最佳的准高斯波形靠拢。m一般取值为3或4。如图所示的仿真结果表现出4阶RC积分可以达成较为理想的准高斯成形。

图7 CR-（RC）m滤波电路输入输出信号

3.2 基于Sallen-Key方法的高斯成形电路

Sallen-Key滤波电路作为二阶有源滤波器的常见架构，是将RC积分网络连接在集成运算放大器的反馈回路中从而组成的，该滤波器广泛应用于核脉冲成形调理要归因于其引入部分正反馈而具有较高的品质因数，在实际应用中对电荷前放输出的阶跃脉冲信号成形时比无源滤波电路输出结果更接近高斯形。搭建4级Sallen-Key成形电路网络对前端的指数衰减脉冲进行处理，观测第2阶和第4阶输出波形并进行细致的比对，具体仿真电路如图8所示。

图8 4级Sallen-Key滤波电路仿真图

如图8所示，Sallen-Key电路所引入的级数越多，输出端高斯成形效果也会愈发理想，但滤波电路超过2级后，后续的滤波器在滤波成形上贡献已经不大。因为每一级滤波器均包含有放大电路，故而4阶S-K滤波电路输出信号在幅值上相较于2阶S-K滤波电路有所增大。

图9 Sallen-Key电路输出信号对比图

4 一种改进型的（SK）-（RC）高斯滤波成形电路

前文提及主放大器中的经典滤波成形电路通常采用的CR-（RC）m半高斯成形技术或者Sallen-Key有源滤波技术。

（1）基于CR-（RC）m高斯滤波电路的成形特点是：微分，积分网络均采用无源RC元件构成，电路实现简单，可靠性高，但往往需要较多级电路才可实现较为理想的准高斯波形。多级电路致使最终输出波形幅值持续减小，时域宽度不断拉升，峰位逐渐后移。

（2）基于Sallen-Key高斯滤波电路的显著特征是：相较于无源滤波可以在成形级数更少的情况下可以获得时间宽度更窄的高斯波形，但引入多级S-K电路后成形效果不明显且也会使得输出端信号幅度增大，波形变宽，影响电路响应时间。此外电路结构相对复杂。

（3）基于两者都有各自优势的情况下，本文对主放大器成形电路进行改进，提出一套新的（SK）-（RC）结合型积分滤波电路，结合前文介绍的电路其他部分，设计出一套核信号调理电路完整系统，阻容反馈式电荷前放为第一部分，谱仪放大器中增加一级极零相消电路，新型（SK）-（RC）积分滤波电路前接反相放大电路，后接基线恢复电路，最终输出端可直接引向A/D模数转换器。

图10 基于（SK-RC）滤波网络的完整前端调理电路

新型（SK）-（RC）滤波电路可通过设置电路中R10、R11、C4、C5参数值选定滤波器的截止频率；通过设定R12和R13的比值即可确定同相放大电路的放大倍数，该电路在整体结构较为简单的情况下包含前文提及的两种有源与无源滤波电路，既有放大功能又有滤波作用。

图11 （SK）-（RC）混合滤波网络输入输出信号

采用（SK）-（RC）混合滤波电路的谱仪放大器输入输出信号波形如图11所示，仿真运行后示波器输出的准高斯波形已经达到后续分析测量电路的要求标准，不逊色于前文提到的经典滤波电路输出效果，但电路只需要采用一级Sallen-Key和一级RC电路。

5 结语

由于探测器输出电流脉冲幅度都很微小，脉宽时间短暂，对于前期微弱信号进行检测放大整形的模拟前端调理电路尤为重要，否则会严重影响到后端ADC采样以及脉冲幅度分析从而致使系统整体性能下降。本文在明晰前端电路各组成部分工作原理的基础之上，基于电路仿真平台Multisim对经典前端信号调理电路进行虚拟仿真实验，并在研究比对传统高斯成形CR-（RC）m与Sallen-Key电路的特点后改进出一套（SK）-（RC）混合滤波电路，在成形效果较为理想的同时使得信号调理电路整体架构更加优化，具有很高的参考价值。