Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

Рис. 1.9. Схема подключения А250

41

Временные (быстрые) усилители

Временные усилители служат для извлечения прецизионной временной информации о регистрируемых событиях в наносекундном и субнаносекундном диапазонах, а также для счета событий с большой частотой следования. Временные усилители должны хорошо передавать короткие фронты сигналов от предусилителей и соответственно обладать широкой полосой пропускания (до 108– 109 Гц). Однако желательно, чтобы полоса пропускания усилителя не была избыточна, так как в этом случае не улучшив временные характеристики, будет ухудшено отношение сигнал/шум. Длительность импульсов быстрых усилителей обычно меньше 20 нс. Таким образом, возможен счет событий со средней частотой в несколько МГц всего с ~10 % потерями на мертвое время. Коэффициент усиления временных усилителей обычно не превышает 20 – 50. Например, быстрый усилитель N978 стандарта NIM, выпускаемый фирмой C.A.E.N., обладает следующими характеристиками: коэффициент усиления — 1–10, полоса частот – 0 –250 МГц, собственный фронт импульса – 1,5 нс. Во временных усилителях может быть предусмотрена возможность формирования импульсов. Они обычно используются с ФЭУ и кремниевыми детекторами заряженных частиц. Для получения временной информации при работе с германиевыми детекторами обычно используются быстрые усилители без формирования импульсов. Соответственно длительность выходных импульсов в таких усилителях определяется предшествующей электроникой и детектором. Современная промышленность выпускает большое количество различных типов быстродействующих ОУ. К наиболее быстродействующим можно от-

нести, например, ОУ AD8000, AD8003, AD8009, AD8045, ADA8417-1, AD8001, ADA4857-1 фирмы Analog Devices, LT1226, LT1993, LTC6252, LT1886, LT1222 фирмы Linear Technology, ана-

логичные изделия имеются и в номенклатуре фирм National Semiconductors, Texas Instruments, Мaxim, Intersil и некоторых дру-

гих. Следует отметить, что при проектировании быстродействующих усилителей важен не только выбор подходящего ОУ, но и соответствующее конструктивное исполнение готового изделия.

Это связано с тем, что длительность фронта усиливаемого импульса может быть сопоставима с геометрической длиной трасс соединительных проводников устройства, вследствие чего следует

44

принимать меры по устранению отражений и наводок сигнала на готовой плате. Подробный расчет топологии схемы достаточно сложен, так как требует расчетов двумерных электромагнитных полей. Достаточно подробные рекомендации по проектированию высокоскоростных устройств приведены в руководствах по применению. Некоторые специфические особенности конкретной элементной базы (ОУ), как правило, приводятся в справочных листках фирм-изготовителей элементной базы.

Спектрометрические (линейные) усилители

Спектрометрические усилители используются при амплитудном анализе сигналов. Одна из функций спектрометрических усилителей – линейное увеличение амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне милливольт, до диапазона 0,1 – 10 В, в котором работают АЦП. Коэффициенты усиления спектрометрических усилителей обычно лежат в диапазоне 100 – 10000. Кроме того, спектрометрические усилители должны иметь хорошую линейность (< 0,2 %). Например, 16-канальный спектрометрический усилитель N568B фирмы C.A.E.N. имеет линейность 0,05 % и собственные шумы менее 15 мкВ. Для амплитудного анализа важно обеспечить хорошее отношение сигнал/шум, так как оно определяет амплитудное, а стало быть, и энергетическое разрешение спектрометра. Так как источники шума в детекторе и первых усилительных каскадах имеют более широкую частотную полосу, чем полоса полезной информации, отношение сигнал/шум может быть улучшено соответствующей фильтрацией. Однако, как правило, оптимальное энергетическое разрешение требует формирования достаточно длинных импульсов. Длительность выходных сигналов спектрометрических усилителей находится в микросекундном диапазоне (~3–70 мкс). Однако при высоких скоростях регистрации событий для минимизации наложений импульсов, они, наоборот, должны быть короткими. Кроме того, нередко нужно сохранить и временную информацию, а это связано с необходимостью иметь достаточно широкую полосу пропускания. Оптимальное решение часто является результатом компромисса. Современные линейные усилители позволяют работать при загрузках до ~7000 с-1 без ухудшения разрешения и до ~90000 с-1 с небольшим ухудшением разрешения.

45

Фильтрация шумов

Простая дифференцирующая RC-цепочка является фильтром высоких частот. При прохождении сигнала через дифференцирующую цепочку ослабляются его низкочастотные составляющие. Интегрирующая RC-цепочка является фильтром низких частот. При прохождении сигнала через интегрирующую цепочку ослабляются его высокочастотные составляющие. (Отметим, что дифференцирование и интегрирование в электронных цепях не эквивалентно соответствующим математическим операциям, хотя и является их грубым приближением.) Дифференцирование и интегрирование сигналов применяется в усилителях для улучшения отношения сигнал/шум. На практике постоянные времени дифференцирующих d и интегрирующих i цепей выбираются одинаковыми d = i = .

Рис. 1.13. CR-RC фильтр

На рис. 1.13 показана форма выходного сигнала после CR-RC фильтра.

Компоненты суммарного шума имеют различные спектральные распределения. Для одних спектральная плотность растет с ростом частоты, для других, наоборот, уменьшается, для третьих – постоянна. Минимальные шумы достигаются при постоянной времени CR-RC фильтра , когда вклады, зависящих от частоты компонентов равны (рис. 1.14).

46

Таблица 1.7

Относительные шумовые характеристики различных способов формирования импульсов

Рассмотрим различные способы формирования сигналов в спектрометрических усилителях.

Усилители с формированием квазигауссового сигнала

Сигнал квазигауссовой формы можно получить однократным дифференцированием и многократным интегрированием CR+(RC)n. При увеличении количества интегрирований сигнал приобретает все более симметричную форму, близкую к кривой Гаусса. В современных усилителях вместо простых CR–RC цепочек используют более сложные схемы. Для интегрирования используют так называемые активные фильтры, выполненные на операционных усилителях (рис. 1.15).

48

Рис. 1.15. Упрощенная схема активных интегрирующих фильтров

Использование активных фильтров позволяет сократить количество секций интегрирования. На рис. 1.16 показана упрощенная схема усилителя с активными фильтрами.

Рис. 1.16. Упрощенная схема усилителя с активными фильтрами

Хотя спектрометрические свойства усилителей с формированием однополярных сигналов квазигауссовой формы близки к оптимальным, обычно в них также предусмотрена возможность получения биполярных сигналов (рис. 1.17), в частности, для получения временной информации.

49

Спомощью активных фильтров можно также получать сигналы

сформой, приближенной к треугольной с почти линейным нарастанием (рис. 1.18,б). Сигнал формируется в результате сложения сигналов от нескольких интегрирующих секций с соответствующими весами. Такое формирование позволяет получить несколько лучшее отношение сигнал/шум, чем в случае сигналов гауссовой формы, правда, слегка большей длительности. Кроме того, снижается чувствительность амплитуды выходных импульсов ко времени сбора зарядов в детекторе.

Компенсация полюса нулем

В результате прохождения сигнала от предусилителя с длинным экспоненциальным "хвостом" через простую CR–RC цепочку возникает заметный выброс противоположного знака. (Спектрометрические усилители, как правило, работают с положительными импульсами. Выбросы соответственно отрицательные.) При средних и высоких загрузках заметная часть импульсов накладывается на "хвосты" предшествующих импульсов, что приводит к случайному уменьшению их амплитуды и, соответственно, к ухудшению энергетического разрешения. Для устранения этого эффекта применя-

ются схемы компенсации полюса нулем (Pole-Zero Cancellation) (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Эффект цепи компенсации полюса нулем: а) простая CR-цепочка, б) цепочка с компенсацией полюса нулем

50