Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

Зарядочувствительные предусилители с оптоэлектронной обратной связью

Как уже говорилось, для улучшения отношения сигнал/шум необходимо увеличивать сопротивление обратной связи. Однако обычно оно не превышает 1 ГОм, в частности из-за того, что начинает сказываться распределенная емкость резистора. В предусилителях с очень высоким разрешением используется оптоэлектронная обратная связь.

Рис. 1.4. Упрощенная схема предусилителя с оптоэлектронной обратной связью

К выходу усилителя (рис. 1.4) через сопротивление R0 подключается светодиод (LED), через который течет ток

iLED = Uout/R0.

Интенсивность свечения светодиода пропорциональна iLED. Этот световой поток направляется на затвор полевого транзистора. Можно считать, что ток затвора ig пропорционален попадающему на него световому потоку:

ig = ФiLED. Здесь Ф – безразмерная константа, характеризующая свойства оптического тракта «светодиод – полевой транзистор».

В итоге можно записать

ig = UoutФ/R0 = Uout/R',

где R' – эквивалентное сопротивление обратной связи. Обычно Ф = 10-6 – 10-10, R0 = 100 Ом. Соответственно, R' = 108–1012 Ом. Это

эквивалентное сопротивление обратной связи в отличие от обычных резисторов практически не вносит дополнительных шумов. Однако проблема больших загрузок (скоростей поступления сигнала) остается.

31

Проблема больших загрузок и импульсная обратная связь

Длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя, подключенного к детектору с малым временем собирания зарядов определяется предусилителем и обычно составляет 10 – 100 нс. При работе с детекторами с большим временем собирания зарядов, такими как NaI (Tl), пропорциональные счетчики, коаксиальные германиевые детекторы, длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя определяется временем собирания заряда в детекторе и варьируется от 700 нс для больших коаксиальных германиевых детекторов до микросекунд для пропорциональных камер. При работе с NaI(Tl) это время составляет ~500 нс и определяется временем высвечивания сцинтиллятора.

Рис. 1.5. Формы импульсов с выходов предусилителя с резистивной обратной связью и усилителя с формированием на линии задержки

На рис. 1.5 показаны импульсы на выходе предусилителя с резистивной обратной связью. У импульсов короткие передние фронты и длинные экспоненциальные задние фронты. Последние определяются постоянной времени R1C1 (см. рис. 1.3), которая обычно ~50 мкс, иногда и больше.

Выходные импульсы предусилителя "садятся" на экспоненциальные "хвосты" предыдущих сигналов. Так как обычно амплитуды сигналов разные и время их появления случайно, отклонение от базового уровня хаотично. По мере увеличения скорости появления событий возрастают наложения сигналов, и соответственно возрас-

32

тает отклонение от базового уровня. Это отклонение ограничивается напряжением питания, которое и определяет максимальную скорость регистрации без искажений выходных импульсов. В усилителе длинные "хвосты" импульсов заметно укорачиваются (это проиллюстрировано на рис. 1.5). Для того чтобы минимизировать шумы и при этом обеспечить высокую скорость регистрации, были разработаны схемы с импульсной обратной связью. Используются два способа реализации импульсной обратной связи – оптоэлектронная импульсная обратная связь, которая обычно применяется с Si(Li) детекторами для рентгеновской спектрометрии, и транзисторная импульсная обратная связь, которая обычно применяется с германиевыми детекторами. В том и другом случае сопротивление обратной связи заменяется специальными цепями, которые включаются только на короткое время, необходимое для разряда емкости обратной связи.

Когда сопротивление обратной связи отсутствует, каждое регистрируемое детектором событие повышает уровень выходного сигнала предусилителя и, в конце концов, он достигает уровня напряжения питания Vпит (см. рис. 1.6,а). Тогда включается схема разряда конденсатора, и выходной уровень в предусилителе возвращается в первоначальное состояние. Таким образом, предусилитель всегда находится в линейной области усиления, в том числе и при высоких скоростях поступления сигналов (загрузках).

Рис. 1.6. Схематическая иллюстрация импульсной обратной связи

33

Усилитель должен сохранить информацию об относительных величинах "ступенек" на выходе предусилителя, т.е. амплитуды импульсов на выходе усилителя должны быть пропорциональны величинам "ступенек". На рис. 1.6,б показаны сигналы на выходе усилителя с квазигауссовым формированием импульсов. В целом почти все аналогично случаю с предусилителем с резистивной обратной связью. Однако есть одна особенность в работе усилителя с предусилителем с импульсной обратной связью. Каждый разряд конденсатора – это большой импульс отрицательной полярности. Его длительность определяется постоянными времени формирующих цепочек усилителя, коэффициентом усиления усилителя, перепадом напряжения при разряде. Обычно его длительность в два – три раза превышает длительность положительных сигналов от событий в детекторе. Во время этого сигнала регистрация событий не должна осуществляться. Для этого генерируется специальный сигнал запрета (рис. 1.6, в), который может использоваться, например, в АЦП, блокируя его вход. Сигнал запрета может генерироваться также в предусилителе для блокировки его выхода. В головных каскадах таких предусилителей используются дискретные полевые транзисторы с улучшенными шумовыми характеристиками. К та-

ковым относятся транзисторы 2N4416, 2SK147, 2SK152, 2N6550 и

другие. В отечественной аппаратуре применялись ПТ КП303Г, КП307Ж, КП314А, КП341А, КП601А. Основные параметры некоторых ПТ для зарядочувствительных усилителей приведены в табл.1.3.

Из таблицы видно, что наиболее оптимальным выбором ПТ для работы с детекторами небольшой емкости будет транзистор

34

2SK152, для детекторов большой емкости – 2N6550. Для дальнейшего усиления сигнала можно применить стандартные ОУ с подходящими характеристиками (см. табл. 1.1 и 1.2), выбирая его по необходимому критерию – быстродействие, малые шумы, большой динамический диапазон и т.д. Кроме того, ряд фирм выпускает специализированные ИС (в основном гибридные) для применения

ваппаратуре ядерно-физического эксперимента. Наиболее активна

вэтом плане фирма Amptek, известная своими гибридными ИС предусилителей (табл. 1.4).

35

Продолжение табл. 1.4

36

Окончание табл. 1.4

Особо обращает на себя внимание ПУ А250 своими высокими характеристиками: фронт импульса не более 2,5 нс, шумы не более 100 электронов (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Внешний вид ИС А250

Гибридная ИС А250 представляет собой зарядочувствительный предусилитель высокого класса для применения с большим количеством типов детекторов, имеющих емкость от менее одной до нескольких тысяч пикофарад. К таким детекторам относятся полупроводниковые детекторы на основе кремния, CdTe, HgI2, пропорциональные счетчики, фотоумножители, пьезоэлектрические сенсоры, ПЗС и др.

Наличие внешнего полевого транзистора обеспечивает широкий диапазон применения ИС. Это особенно важно там, где требуется охлаждение полевого транзистора для снижения уровня шумов. Во

37

всех случаях можно подобрать подходящий полевой транзистор для конкретного детектора с определенной емкостью и требованиями к шумам и формированию импульса. При больших заказах ИС А250 может быть специально изготовлена с внутренним размещением полевого транзистора.

Шумовые характеристики А250 таковы, что их вклад невелик по сравнению с шумами детектора и полевого транзистора, т.е. в этом смысле он является идеальным усилителем.

Внутренние элементы обратной связи конфигурируют А250 как зарядочувствительный усилитель, однако его можно использовать и как высокоточный усилитель тока или напряжения при соответствующем выборе компонентов цепи обратной связи.

Первоначально этот предусилитель был сконструирован для применения в научной аппаратуре с целью использования на космических аппаратах, однако его уникальные характеристики делают его одинаково полезным и в научных лабораториях и коммерческих приложениях.

Чувствительность (при Cf = 1 пФ) составляет для различных детекторов (приведены в скобках): 44 мВ/МэВ (Si), 55 мВ/МэВ

(Ge), 36 мВ/МэВ (CdTe), 38 мВ/МэВ (HgI2) или 1 В/пК

(0,16 мкВ/электрон).

Чувствительность можно уменьшить соединением выв.2 и/или выв.3 с выв.1 ИС, при этом обеспечивается величина Сf =3, 5, или

38

7 пФ. Подключением внешних конденсаторов можно добиться дальнейшего снижения чувствительности. Обычно чувствительность определяется как А=1/Сf [пФ] В/пК. Шумы и наклон шумовой характеристики зависят от типа полевого транзистора. Эта зависимость приведена на рис.1.8.

Данные, представленные на рисунке, получены с указанными типами ПТ, режимными параметрами (ток стока ПТ и величина емкости в цепи обратной связи) и постоянными времени формирования импульса, считая, что ИС А250 не вносит дополнительного шума. В общем случае, выбор ПТ основан на его шумовых характеристиках и входной емкости.

Рис. 1.8. Шумовые характеристики А250 как функция емкости детектора, типа полевого транзистора, емкости конденсатора обратной связи и постоянной времени формирователя

Для детекторов с малой (до 200 пФ) емкостью необходим ПТ с малой входной емкостью, например 2N4416 или 2SK152.

Для детекторов с очень большой (свыше 1 нФ) емкостью следует соединить параллельно два или более подобранных по параметрам ПТ с большой входной емкостью типа 2N6550 для получения наилучших шумовых характеристик.

39

40