ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ
CHARGE-SENSITIVE PREAMPLIFIER

Изобретение относится к области электроники, а именно к предварительным усилителям для съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений при использовании длинной кабельной линии в схемах амплитудной спектрометрии для регистрации ядерных излучений, например, для регистрации спектров быстрых нейтронов в экспериментальных исследованиях и на объектах ядерной энергетики.
Известен усилитель заряда, содержащий входной полевой транзистор (ПТ), включенный по каскодной схеме с общим стоком, где в качестве второго усилительного элемента используется биполярный транзистор и основной усилитель, выполненный на базе, например, операционного усилителя, охваченный отрицательной емкостной обратной связью [1]. Недостатками этого усилителя являются возможность использования только для конкретной задачи и невысокие эксплуатационные характеристики.
Известен предусилитель для полупроводниковых детекторов большой емкости, содержащий входной полевой транзистор с высокой крутизной, включенный по схеме с общим истоком, второй усилительный элемент выполнен в виде дифкаскада на биполярных транзисторах и основной усилитель, выполненный на дискретных элементах [2]. Недостатками этого предусилителя являются возможность использования только для конкретной задачи и невысокие эксплуатационные характеристики.
Известен специальный зарядочувствительный предусилитель с резистивной обратной связью, содержащий входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью [3]. Недостатками этого устройства являются высокий уровень собственных шумов предусилителя, низкая динамическая емкость (динамическая емкость - это произведение значения емкости обратной связи на коэффициент усиления собственно усилителя с высоким входным сопротивлением на частоте переднего фронта измеряемого сигнала), большой угол наклона шумовой характеристики (наклон шумовой характеристики - зависимость шума усилителя заряда от значения емкости на его входе), что делает невозможным его использование для работы с детектором ионизирующих излучений, вынесенным на длинной (~30 м) кабельной линии от основной регистрирующей аппаратуры, например в токамаке ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор) в камере ВНК (вертикальная нейтронная камера), где зарядочувствительный предусилитель должен быть установлен для работы в составе спектрометра быстрых нейтронов.
Техническим результатом данного изобретения является снижение входных шумов и увеличение динамической емкости всего предусилителя.
Для достижения указанного технического результата в известном зарядочувствительном предусилителе, содержащем входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, предложено в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включить каскодно-дифференциально так, чтобы сток входного полевого транзистора был подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, а исток входного полевого транзистора был подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора и коллекторы этих транзисторов были подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирать из условия минимизации входного шума.
На рис.1 представлена структурная схема зарядочувствительного предусилителя (ЗЧПУ), на рис.2 - пример амплитудно-частотной характеристики усилителя, на базе которого выполняется предлагаемый ЗЧПУ и прототипа, на рис.3 - график значений наклона шумовой характеристики предлагаемого ЗЧПУ и ЗЧПУ - прототипа при Cos=0,5 пкФ.
Зарядочувствительный предусилитель (рис.1) содержит входной каскад, выполненный на транзисторах VT1, VT2, VT3, резисторы R1, R2, каскад основного усиления, выполненный на широкополосном операционном усилителе DA1, и цепи обратной связи, состоящей из резистора Ros и зярядочувствительного конденсатора Cos. При этом эмиттер транзистора рnр-типа VT2 подключен к стоку транзистора n-типа VT1, а эмиттер транзистора pnp-типа VT3 подключен к истоку транзистора n-типа VT1. Коллектор VT2 подключен через резистор R2 к шине питания, а коллектор VT3 подключен к шине питания через резистор R1.
В качестве транзистора VT1 можно использовать транзисторы КПЗ 03, КП307 или BF862. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать транзисторы KT3169 или BCW61, в качестве операционного усилителя DA1 возможно использовать широкополосные усилители AD8014, AD8041 или ОРА847.
Входной полевой транзистор VT1 зарядочувствительного предусилителя включен по каскодной схеме дифференциально. Два дополнительных усилительных элемента VT2 и VT3, выполненных на основе биполярных транзисторов, подключены как к стоку, так и к истоку входного полевого транзистора VT1. То есть эмиттер первого биполярного транзистора VT2 подключен к стоку входного полевого транзистора VT1, а эмиттер второго биполярного транзистора VT3 подключен к истоку входного полевого транзистора VT1, на базы VT2 и VT3 подается необходимое напряжение смещения. К коллекторам VT2 и VT3 подключены резисторы R2 и R1, выбранные их условий оптимизации сложения шума в канале VT1, которое осуществляется в основном усилителе DA1, выполненном на основе операционного усилителя таким образом, что коллектор первого биполярного транзистора VT2 подключен к неинвертирующему входу основного усилителя DA1, а коллектор второго биполярного транзистора VT3 - к инвертирующему входу основного усилителя DA1. Между выходом основного усилителя DA1 и затвором входного полевого транзистора VT1 включена цепь отрицательной обратной связи, состоящая из высокоомного резистора Ros и зарядочувствительного конденсатора Cos.
Работа зарядочувствительного предусилителя осуществляется следующим образом. Значение шума в канале VT1 (Uni) поступает одновременно на эмиттеры транзисторов VT2, VT3 и преобразуется в напряжение на резисторах R1 и R2 по формулам:
ш с
ш
ш и
ш
ш, с
ш, и
0
вых
0с
0и
вых
0с
0и
дин.
дин.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>ш</mi><mtext> вых</mtext><mo>⋅</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>ш</mi><mo>,</mo><mtext> с</mtext></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>ш</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>и</mi></mrow><mtext>2</mtext></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
U=U×β2×S×R2 и U=U×β3×R1, где U - напряжение шума по стоку, U - напряжение шума по истоку, β - коэффициент усиления по току используемых транзисторов VT2, VT3, S - крутизна полевого транзистора VT1. Выбирая значения резисторов R1 и R2, добиваются минимального значения шума на выходе основного усилителя DA1, стремящегося к значению
. При этом входной сигнал с амплитудой A, проходя те же цепи усиления, усиливается по закону A=A+А, где A - амплитуда выходного сигнала, A - амплитуда сигнала, прошедшего по цепи усиления стока, A - амплитуда сигнала, прошедшего по цепи истока. Вычисление динамической емкости производят по формуле: С=Cos×Ку, где С - динамическая емкость ЗЧПУ, Cos - емкость зарядочувствительного конденсатора (зарядочувствительная емкость) ЗЧПУ, Ку - коэффициент усиления усилителя, на базе которого выполнен ЗЧПУ с разомкнутой петлей обратной связи на частоте переднего фронта измеряемого сигнала.
Использование входного полевого транзистора (ПТ), VT1 в дифференциально-каскодном включении позволяет:
1) суммировать выходные сигналы с входного ПТ как по стоку, так и по истоку, что приводит к увеличению общего коэффициента усиления (Ку) собственно усилителя, на основе которого выполняется зарядочувствительный усилитель;
2) сделать измеряемый сигнал инверсным по отношению к стоку и неинверсным по отношению к истоку, в то время как собственный шум в канале ПТ неинверсен как по стоку, так и по истоку, что позволяет при подборе нагрузок снизить собственные шумы всего усилителя;
3) получить однополюсную амплитудно-частотную характеристику всего усилителя, что дает возможность достичь очень больших коэффициентов усиления на высоких частотах и обеспечивает высокую устойчивость схемы.
4) снизить эффект Миллера (увеличение эквивалентной емкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).
По сравнению с прототипом зарядочувствительный предусилитель имеет выигрыш по усилению сигнала 2 раза (рис.2) при уменьшении практического значения шума в 2 раза, а динамическую емкость больше в 1000 раз (при Cos=0,5 пкФ значение динамической емкости прототипа составило примерно 500 пкФ, а предложенного ЗЧПУ 0,5 мкФ), и наклоны шумовых характеристик (рис.3) в начале характеристик отличаются в 2 раза, а после значения Свх=300 пкФ - более чем в 10 раз.
Источники информации
1. United States Patent N 4053847, oct. 11, 1977; Inventors Tadashi Kamahara et al.
2. Н.М.Ткач и др. Предусилитель для полупроводниковых детекторов большой емкости, ИЯИ АН УССР, препринт КИЯИ 78-2.
3. United States Patent N 5347231, sep. 13, 1994; Inventors Giuseppe Bertuccio et al.