Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

При выборе конкретного типа ОУ можно пользоваться следующими примерами ОУ:

максимальное быстродействие – LT1226, LT1993, LTC6252, LT1886, LT1222.

минимальные шумы – LT1203, LT1205, LT6230, LT1993, LT1226.

минимальные входные токи – LT1468, LT1126, LTC6244, LTC6246.

максимальный диапазон напряжений питания – LT1126, LT1127, LT1203, LT1205, LT1222.

Предусилители чувствительные к напряжению

Для извлечения амплитудной (энергетической) информации от детекторов, использующих ФЭУ, традиционно используют предусилители чувствительные к напряжению (рис. 1.2).

Предусилители чувствительные к напряжению могут иметь достаточно высокое входное сопротивление (до нескольких MОм). Токовый импульс детектора интегрируется на паразитных емкостях детектора и входа предусилителя. (Суммарно эти емкости имеют величину от 10 до 50 пФ.) В результате получается импульс напряжения с амплитудой пропорциональной заряду токового импульса и со временем нарастания равным его длительности. Сопротивление, включенное параллельно с входной емкостью, определяет экспоненциальный спад импульса с постоянной времени ~50 – 250 мкс. Усилитель, который служит буфером, имеет коэффициент усиления ~1, малое выходное сопротивление (единицы Ом), и большой выходной ток (до 100 мА и более), что обеспечивает хорошее согласование с длинными линиями связи. Резистор на выходе имеет сопротивление равное волновому сопротивлению кабеля (обычно 50 или 100 Ом) и служит для поглощения отраженных сигналов в длинных линиях связи.

Предусилители, чувствительные к напряжению обычно не используются с полупроводниковыми детекторами. В этих предусилителях амплитуда выходного импульса обратно пропорциональна величине паразитной емкости. Небольшое перемещение соединительного кабеля меняет паразитную емкость на десятые доли пикофарады и соответственно меняет величину выходной амплитуды. Это заметно его бы ухудшало разрешение для полупроводниковых

27

детекторов, имеющих энергетическое разрешение лучше 1 %. Кроме того, емкости полупроводниковых детекторов часто зависят от смещающего напряжения. Поэтому для полупроводниковых детекторов обычно применяются предусилители другого типа, так называемые зарядочувствительные предусилители. (Однако в физике высоких энергий при работе с вершинными кремниевыми детекторами, учитывая стабильность их выходной емкости, предусилители чувствительные к напряжению широко используются.)

Рис. 1.2. Упрощенная схема предусилителя, чувствительного к напряжению

1.2. Зарядочувствительные предусилители

Зарядочувствительные предусилители в основном применяются с полупроводниковыми детекторами и ионизационными камерами.

Отличительная особенность полупроводниковых детекторов состоит в том, что их емкость CD зависит от напряжения смещения (CD ~ Uсм-1/2). Изменение напряжения смещения приводит к изменению емкости детектора и соответственно к изменению сигнала на его нагрузке. Действительно, в случае интегрирующей цепи на входе усилителя чувствительного к напряжению, амплитуда импульса напряжения

Ui = Q/Ce Q/CD,

где Ce = CD + Свхода, обычно CD >> Свхода.

28

Такие изменения амплитуды сигнала крайне нежелательны для спектрометров с полупроводниковыми детекторами, обладающих высоким разрешением. Поэтому в предусилителях для полупроводниковых детекторов принимаются меры, исключающие влияние емкости детектора на величину сигнала. Такой предусилитель охватывается отрицательной обратной связью по заряду с помощью конденсатора небольшой емкости C1 (рис. 1.3). Коэффициент усиления схемы без обратной связи должен быть большим (часто больше 10000).

Рис. 1.3. Упрощенная схема зарядочувствительного предусилителя

Определим амплитуду сигнала на выходе такого предусилителя, полагая, что частица образует в детекторе заряд Q. Этот заряд распределяется между Ce и C1. Можно записать

Q = Qe + Q1, Qe = CeUin,

Q1 = C1(Uin – Uout), Uout = kUin.

Решая относительно Uout, получим

Uout = Q/[(Ce + C1)/k + C1].

Так как коэффициент усиления k большой, соответственно, (Ce + C1)/k << C1 и Uout Q/ C1.

Итак, амплитуда выходного сигнала предусилителя определяется зарядом, образованным ионизирующей частицей в детекторе и емкостью обратной связи и практически не зависит от емкости детектора и соответственно от напряжения смещения на нем.

29

Емкость обратной связи C1 должна иметь высокую стабильность. Ее величина обычно ~1 пФ. Меньше ее сделать трудно, так как возрастает влияние паразитных емкостей, ухудшающих стабильность системы.

Оценим чувствительность предусилителя для измерений с кремниевым детектором при комнатной температуре с емкостью C1 = 1 пФ. Для образования одной пары электрон-дырка в кремнии

необходимо 3.62 эВ. Тогда

Uout/МэВ = (106.1,6.10-19/3,62)/10-12 = 44 мВ/МэВ.

Параллельно конденсатору подключают резистор R1. Этот резистор обеспечивает обратную связь по постоянному току и фактически является сопротивлением нагрузки детектора. Время экспоненциального спада определяется постоянной времени R1C1.

Шумы зарядочувствительного предусилителя обычно оценивают, учитывая следующие компоненты: флуктуации входного тока головного транзистора предусилителя iвх,тепловой ток резистора нагрузки Rн ,флуктуации выходного тока головного транзистора iвых. Оценки, приведенные в [2], показывают, что для получения энергетического эквивалента шума предусилителя порядка 1 КэВ, входной ток головного транзистора не должен превышать 1 нА. Это достижимо при использовании в головном каскаде предусилителя полевого транзистора с затвором в виде обратно-смещенного p-n перехода (JFET). Емкости стараются сделать меньше, используя короткие с малой емкостью кабели и т.п. Сопротивление выбирают как можно большими. Однако величина сопротивления влияет на максимальную скорость счета. Максимальная скорость счета обратно пропорциональна величине сопротивления обратной связи. Германиевые детекторы гамма-квантов и Si(Li) рентгеновские детекторы обычно имеют гальваническую связь (связь по постоянному току) с предусилителями. В детекторах заряженных частиц сигнал практически всегда снимается с электрода, к которому приложено напряжение смещения. Соответственно используется емкостная связь. Кроме того, емкостная связь используется для детекторов с большими токами утечки.

30