Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
Зарядочувствительный усилитель с оптоэлектронной связью. Сопротивление в цепи обратной связи Яо.с зарядочувствительного усилителя — источник тепловых шумов и нестабильностей, связанных с протеканием токов де-
Рис. 2.19. Принципиальная схема зарядочувствительного предварительного усилителя
72
тектора. Лучшие результаты удается получить в схеме с так называемой оптоэлектронной обратной связью (см. рис. 2.18, б). Здесь сопротивление Rn.с отсутствует, а между выходом и входом усилителя вводится оптическая связь. Для этого к выходу усилителя подключается через сопротивление R светодиод С Д. Генерируемый им свет направляется на светочувствительную область затвор — канал полевого транзистора. Поскольку между интенсивностью свечения светодиода и протекающим через него током имеется линейная зависимость, то в цепи затвора полевого транзистора генерируется ток, пропорциональный току светодиода. Если напряжение на выходе зарядочувствительного предварительного усилителя равно Ubых, то ток диода будет равен ix=UBUX/R, а соответствующий ему ток в цепи затвора полевого транзистора можно записать в виде і3=Фід, где Ф — коэффициент связи, показывающий, какая часть светового потока от светодиода попадает в область затвор — канал. Используя выражение для тока светодиода /д, запишем ток, генерируемый в цепи затвора полевого транзистора, в виде
h — UBhlxO/R = UBblxl R0,с. (2.22)
Отсюда видно, что оптоэлектронная обратная связь действует как некоторое эквивалентное сопротивление обратной связи R'0.с. Значение этого сопротивления нетрудно оценить, беря типичное значение для R= 100 Ом и коэффициента связи Ф от IO-6 до 10~10. (Этот коэффициент легко регулировать диафрагмированием светового потока и изменением расстояния между источником и приемником света.) Тогда сопротивление R'0.c изменяется в пределах IO8—IOi2 Ом. Эквивалентное сопротивление Rf0.с в отличие от обычных высокоомных резисторов не вносит дополнительных шумов и практически не зависит от частоты, так как светодиод имеет очень малое время высвечивания (около IO-8 с).
Рассмотренная оптоэлектронная обратная связь позволяет значительно снизить шумы, однако она не обеспечивает полного восстановления исходных потенциалов на входе при больших загрузках. Поэтому иногда в спектрометрических усилителях применяют так называемую импульсную оптоэлектронную обратную связь. После усиления сигнала при помощи вспомогательной схемы на светодиод подается кратковременный импульс тока. Возникающая вспышка света создает ток в цепи затвора полевого транзистора, которым восстанавливается потенциал входной цепи.
Зарядочувствительный усилитель для детекторов большой емкости. В экспериментальных исследованиях физики высоких энергий применяются кремниевые детекторы большой емкости (100— 1000 пФ). Чтобы обеспечить высокое быстродействие при работе с такими детекторами, необходимо применять небольшое сопротивление нагрузки, но такое сопротивление — это дополнительный источник тепловых шумов, оно ухудшает отношение сигнала к шуму. Лучшие результаты удается получить при помощи специаль-
73
Рис. 2.20. К рассмотрению зарядочувствительного усилителя для детекторов большой емкости:
а — упрощенная эквивалентная схема зарядочувствительного усилии еля с одной цепью обратной связи; б — зарядочувствительный усилитель с дополнительной обратной связью последовательного типа
ных зарядочувствительных усилителей, обладающих низким входным сопротивлением и малым уровнем шумов.
Входное сопротивление рассмотренного выше зарядочувствительного усилителя (рис. 2.18,а) имеет активную составляющую. В этом можно убедиться, анализируя упрощенную эквивалентную схему, приведенную на рис. 2.20,а. В эту схему вошли основные элементы усилителя, а также паразитная емкость С, влияющая на входные параметры. Выходной ток схемы поступает в паразитную емкость С и на вход схемы через емкость обратной связи С0.с. Обозначая Csx = Cfl-I-CyrBx, где Сд — емкость детектора; C'BX— входная емкость усилителя, и учитывая, что Coc «С С, выражение для входной проводимости Y. можно записать в виде
Ym = + P (Свх + C0J. (2.23)
Величина, обратная первому члену выражения (2.23), является активной составляющей входного импеданса
Rc называют холодным сопротивлением (cold resistance), так как при комнатной температуре T эквивалентная шумовая температура этого сопротивления может быть представлена в виде
Tc = TRJRcy (2.24)
где Rui = OJIS — шумовое сопротивление полевого транзистора с крутизной S, стоящего на входе схемы.
Из выражения (2.24) видно, что при отношении Rm/\R0<.l эквивалентная шумовая температура холодного сопротивления меньше Т. Таким образом, входное сопротивление зарядочувствительной схемы при соответствующем выборе параметров (С0.с, С) имеет активную составляющую с малым уровнем шумов. Однако стабильность Rc определяется крутизной входного транзистора и невелика.
74
Стабилизацию входного сопротивления зарядочувствительного усилителя обеспечивают введением последовательной обратной свя-'зи. Схема на рис. 2.20,6 состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и повторителя па полевом транзисторе ПТ; в схеме Имеются две цепи обратной связи: параллельная — обеспечивается конденсатором C0.с и последовательная — выполняется при помоги делителя Rі, R2. Входная проводимость схемы с последовательной связью равна I /Ru А холодное сопротивление всей схемы (рис. 2.20,6) равно
