Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

Конструктивные требования

Оптимизация характеристик ОУ требует определенного внимания к топологии и трассировке сигнальных цепей печатной платы. Шунтирование источников питания, паразитные емкости, выбор компонентов влияют на характеристики усилителя.

Оба типа корпусов AD8099 имеют снизу подложку-растекатель. Она обеспечивает низкое тепловое сопротивление к заземляющей поверхности. Лучше всего припаять ее к земле.

Учет паразитных параметров

Область, окружающая вывод компенсации, очень чувствительна к паразитным емкостям. Чтобы реализовать полную полосу пропускания в AD8099, в этой области не должно быть никаких трасс, близко подходящих к выводу компенсации, чтобы обеспечить минимум паразитной емкости. Если компенсация необходима, трассы, ведущие к выводу компенсации, отрицательному источнику питания, и соединяющие компоненты (CC , C1 и RC ), должны быть как можно более широкими для минимизации индуктивности.

Все слои заземления и питания под выводами AD8099 должны быть освобождены от меди во избежание появления паразитных емкостей между входными и выходным выводами относительно земли. Одиночный вывод корпуса SOIC добавляет примерно 0,2 пФ емкости относительно земли, если не очищать соответствующие слои печатной платы от меди под выводами AD8099. Эта емкость может вызвать выброс на АЧХ и нестабильность усилителя и должна быть минимизирована. Новое расположение выводов AD8099 уменьшает расстояние между выходом и инвертирующим входом ОУ. Это помогает минимизировать паразитные индуктивность и емкость цепи обратной связи, что, в свою очередь, снижает выбросы АЧХ и уровень второй гармоники.

Цепи заземления

Если возможно, используйте отдельные слои земли и питания на печатной плате. Это снижает сопротивление и индуктивность цепей питания и возвратных трасс заземления.

Если используется несколько слоев, они должны быть “простеганы” множеством соединительных переходных отверстий. Воз-

62

вратные линии для входных и выходных выводов, шунтирующих конденсаторов и резистора RG, должны быть расположены как

можно ближе к AD8099. Заземляющие переходные отверстия должны располагаться в непосредственной близости от контактной площадки компонента, обеспечивая надежное заземление. Возвратные линии цепи нагрузки и шунтирующего конденсатора должны объединяться в одной точке земельного слоя для снижения паразитной индуктивности и снижения искажений.

Шунтирование цепей питания

Необходимо шунтировать цепи питания AD8099. Номиналы конденсаторов показаны на рис. 1.25. Шунтирование необходимо для обеспечения стабильности ОУ. Конденсаторы 0,1 мкФ и электролитические конденсаторы должны располагаться как можно ближе к выводам питания ОУ.

Выбор компонентов

Компоненты поверхностного монтажа размером менее 1206 имеют меньшие контактные площадки, у которых меньше паразитные параметры и можно сделать более компактную трассировку печатной платы. Если это критично для характеристик усилителя, следует использовать высококачественные компоненты высокой точности и с малым дрейфом их характеристик. Например, такие компоненты следует использовать в цепи обратной связи (см. рис. 1.25). Компенсирующий конденсатор цепи обратной связи должен быть категории NP0. Керамика NP0 имеет стабильность ±30*10-6 /°С во всем рабочем диапазоне температур -55 °С — +125 °С. Например, при изменении температуры на 100 °C емкость конденсатора 1,5 пФ изменится лишь на 4,5 пФ, по сравнению с керамикой X7R, где изменение емкости будет уже 0,23 пФ, т.е. 15 % номинального значения, что уже может привести к выбросам на АЧХ усилителя.

Аналогичные рекомендации можно найти в фирменной литературе и на другие типы ОУ. Ссылки на литературу можно найти на сайтах фирм-изготовителей: www.analog.com, www.linear.com, www.мaxim.com и других.

63

1.4.Устройства отбора информации

Аналоговые дискриминаторы

При проведении физических экспериментов одной из важнейших методических задач является повышение информативности потока регистрируемых сигналов и уменьшение влияния факторов, искажающих исходную информацию. Действительно, часть сигналов, снимаемых с детектора, не несет полезной (с точки зрения данного эксперимента) информации и может быть отброшена. Это могут быть сигналы, связанные с регистрацией фонового излучения, сигналы, которые возникают от излучения сопутствующего исследуемому, шумовые импульсы детектора, сигналы от частиц тождественных исследуемым, но выходящие за пределы установленного диапазона энергий. Задача выделения полезных сигналов и подавления ненужных решается с помощью разнообразных аналоговых и цифровых методов. Аналоговые методы отбора обладают большим быстродействием по сравнению с цифровыми, цифровые – точнее, позволяют реализовать довольно сложные алгоритмы отбора. Для отбора амплитудной информации широко используют интегральные и дифференциальные дискриминаторы.

Интегральным дискриминатором (ИД) называется устройство, вырабатывающее стандартный выходной сигнал на каждый входной импульс, амплитуда которого превышает некоторое пороговое значение Uп (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Интегральный дискриминатор

Значение порога задается экспериментатором, исходя из условий эксперимента. Принцип построения ИД и его конкретная реализация задают длительность выходного сигнала и его мертвое время – минимальный интервал времени между предыдущим и по-

64

следующим импульсами на входе ИД, при котором происходит срабатывание дискриминатора на оба импульса. Мертвое время определяет число просчетов событий, если ИД используется в канале счета, или эффективность системы отбора, если ИД применяется в качестве выработки триггера установки. Мертвое время в большинстве практических случаев должно быть на 2 – 3 порядка меньше среднего интервала времени между сигналами, поступающими на вход ИД. Порог дискриминации ИД характеризуется абсолютным значением Uп, выражаемым в единицах напряжения или тока, диапазоном регулирования от максимального значения Uпмax до минимального значения Uпmin, чувствительностью, равной Uпmin , температурной нестабильностью. Величина Uпмax обычно не превышает значения 5 – 10 В – максимальной амплитуды сигналов в современной транзисторной электронике. При использовании интегрального дискриминатора для селекции сигналов в большом динамическом диапазоне значение Uпmin должно быть мало, т. е. дискриминатор должен иметь высокую чувствительность. Так, например, при работе в динамическом диапазоне сигналов 103 чувствительность дискриминатора должна быть не менее 5 – 10 мВ. Использование высокочувствительных дискриминаторов целесообразно и в тех случаях, когда не требуется широкодиапазонных измерений, а стоит задача амплитудной дискриминации по многим каналам, так как это позволяет селектировать сигналы, снимаемые непосредственно с детекторов, без промежуточного их усиления, давая значительную экономию электронного оборудования. Температурная нестабильность порога дискриминатора, измеряемая в мВ/К, – одна из важнейших характеристик порога дискриминации, поскольку смещение порога дискриминации в ходе эксперимента будет приводить к дополнительным погрешностям в счете событий, особенно в высокочувствительных дискриминаторах. Высокочувствительные интегральные дискриминаторы по типу триггера Шмидта или одновибратора в последнее время реализуются в основном на компараторах в интегральном исполнении. Компараторы представляют собой дифференциальные усилители с очень большим коэффициентом усиления (от единиц до десятков тысяч) в очень узком диапазоне (десятки – сотни микровольт) разности сигналов, подаваемых на прямой и инвертирующий входы компаратора. Если разность сигналов превышает этот диапазон, компаратор находится в режиме ограничения в состоянии с логическим потенциалом 1 или 0 в зависимости от знака разности потенциалов на входах компаратора. Таким образом, компаратор при фиксирован-

65

ном потенциале на одном из его входов может выполнять функцию высокочувствительного порогового устройства (с порогом несколько сот микровольт), которое вырабатывает на своем выходе стандартный по амплитуде сигнал с длительностью, равной времени, в течение которого на его втором входе присутствует сигнал, превышающий порог. Основным недостатком таких устройств дискриминации являются относительно высокая температурная нестабильность порога дискриминации 10 – 50 мкВ/К и заметное влияние дрейфов напряжения источников питания на дрейф порога дискриминации. Зависимость числа импульсов на выходе ИД от порога дискриминации Uп при фиксированном времени измерения представляет собой интегральный спектр – количество импульсов, амплитуда которых превышает порог. Из интегрального спектра после численного дифференцирования может быть получен дифференциальный спектр.

Интегральный амплитудный дискриминатор содержит пороговую схему сравнения (компаратор), которая срабатывает, когда входное напряжение (или ток) превышает пороговое значение Ап, и устройство формирования выходного импульса по длительности и амплитуде (см. рис. 1.26). Для согласования кабеля, по которому подается исследуемый сигнал, на входе амплитудного дискриминатора часто ставится резистор R с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля Z. Для управления выходным импульсом в схему формирования вводят устройство запрета, которое блокирует выходные импульсы на время подачи специального внешнего сигнала "вето". В качестве компаратора могут также использоваться триггеры Шмита на основе ОУ и другие устройства. Дифференциальные амплитудные дискриминаторы регистрируют импульсы при выполнении условия Апн<А<Апв, где Апн и Апв – нижний и верхний пороги дискриминации, А – амплитуда исследуемого сигнала. Дифференциальные амплитудные дискриминаторы называются также одноканальными амплитудными анализаторами (рис. 1.27), содержат компараторы нижнего уровня (КНУ) и верхнего уровня (КВУ), которые имеют пороги дискриминации Апн и Апв. Выходной сигнал КНУ всегда шире сигнала КВУ. Импульс КВУ удлиняется с помощью формирователя Ф так, чтобы полностью "накрыть" импульс КНУ. Для компенсации задержки между временами срабатывания КНУ и КВУ сигнал КНУ задерживается на время τз. Дифференциальный амплитудный дискриминатор формирует выходной импульс лишь для входного сигнала 2 (рис. 1.28), так как только в этомслучаесрабатывает КНУ, а сигнал КВУотсутствует.

66