книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

•Форма выходного сигнала, описываемого функцией (2.22), близ­ ка к треугольной. Такие фильтры технически довольно сложны (практически проще реализовать треугольный входной сигнал) и обладают одним существенным недостатком: они являются «оптимальными» в том случае, если форма сигнала детектора

•близка к 5-фуикции. Отсутствие плоской вершины у выходного сигнала приводит к тому, что дисперсия выходного сигнала увеличивается за счет дисперсии времени нарастания токового импульса детектора, в результате чего ухудшается энергетиче­ ское разрешение. Более подробно этот вопрос рассмотрен в § 2.8.

§ 2.5. ФИЛЬТРЫ С ПОСТОЯННЫМИ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Сигнал ППД, прежде чем он поступает на систему накопле­ ния и обработки информации, проходит через ряд устройств — предусилитель, формирующий усилитель, восстановитель посто­ янной составляющей и т. п. Линейный преобразователь (см. рис. 2 .1 ) состоит из предусилителя и основного формирующего усилителя. Во всех промышленных спектрометрах и во многих лабораторных моделях предусилитель преобразует «быстрый» сигнал детектора в импульс напряжения экспоненциальной фор­ мы и усиливает его до уровня, необходимого для неискаженной передачи к основным узлам, осуществляющим дальнейшее пре­ образование. Формирующий усилитель служит важным звеном по всей системе, так как его характеристики определяют воз­ можное отношение сигнал/шум, искажение информации за счет эффекта наложений, температурную нестабильность и т. п. Сле­ довательно, при выборе схемы формирующего усилителя не­ обходимо: 1 ) обеспечить получение энергетического разрешения, определяемого параметрами предшествующих устройств (блок детектирования, предусилитель); 2 ) усилить сигнал до уровня и придать ему форму, необходимую для работы последующих устройств; 3) уменьшить возможность искажений аппаратурно­ го спектра, обусловленную эффектом наложений.

Эти требования часто противоречивы, и в ряде случаев при­ ходится искать оптимальное решение и идти на некоторое ухуд­ шение одних характеристик за счет улучшения других. Послед­ ние достижения в области усилительной техники — разработка операционных усилителей с входным дрейфом от 2 до 10 мкВ/°С, «компенсация полюса нулем» в С/?-переходных це­ почках, создание усилителей с непосредственными связями [29, 53, 5 4 ] — позволяют преодолеть трудности, обусловленные ам­

91

плитудной перегрузкой и нелинейностью усилителей. Однакофильтры, используемые в формирующем усилителе, являются тем критическим звеном, которое характеризует отношение сигнал/шум и возможность работы при высоких скоростях счета.

Формирующие устройства на линиях задержки. Этот тип формирования наиболее выгоден для уменьшения последующих наложений на главную часть импульса, но он может приво­ дить к существенным ухудшениям характеристик фильтра при наложении на выброс обратной полярности. Причина этого вы­ броса — несовершенство согласования прямого и задержанного' сигналов, изменение входного импеданса усилительных секций и т. и. Образующийся выброс спадает к нулевой линии с по­ стоянной времени, равной постоянной спада вершины входного импульса, которую выбирают намного больше времени задерж­ ки линии !3.

Второй недостаток такого формирования — низкое отноше­ ние сигиал/шум. Его можно увеличить, введя последующее ин­ тегрирование, однако при этом увеличивается длительность им­ пульса и ухудшается характеристика фильтра за счет роста эффекта наложений. Наплучшее отношение сигиал/шум получа­ ется при постоянной времени интегрирования Тц->-оо (/<п.ш равен 1,075 при однополярной и 1,52 при биполярной форме выход­ ного сигнала). Недостатки такого фильтра: во-первых, отсут­ ствие плоской вершины у выходного импульса и, во-вторых, уменьшение амплитуды сигнала при т„—*оо. Поэтому в промыш­ ленных устройствах постоянную интегрирования т„ выбирают того же порядка или меньше, чем t3. Трудности, связанные с настройкой фильтров, приводят к тому, что формирующий уси­ литель может быть настроен только па одну-две постоянные дифференцирования /3, причем потери в линии и искажения формы сигнала ограничивают величину t:i временем 1 — 2 мне.

Поэтому наибольшее распространение в промышленных уси­ лителях, а также в лабораторных спектрометрах получили 7?С-фильтры. Из-за своей простоты, компактности, низкой стои­ мости, удобства перехода от одной постоянной времени к дру­ гой их характеристики целесообразно рассмотреть подробнее.

Формирующие устройства с У?С-фильтрами. На рис. 2.11 показана эквивалентная схема 7?С-фильтров, имеющих одинако­ вую постоянную времени т. В каждое звено фильтра включен линейный повторитель, имеющий выходное сопротивление мно­ го меньше входного последующего звена и единичный коэффи­ циент усиления по напряжению.

92

(s) = Я 3(s) = . . . = Я„ (s) = — ——

Ha входе предусилителя [см. (2.16)] действует шум, имеющий спектральную плотность

Г ш(со) = 117,(1 + 1/со2 т2)

и сигнал QICBX8(t).

л интеграторов

Рис. 2.11. Эквивалентная схема /?С-фи.пьтров.

, Для упрощения считаем, что предусилитель осуществляет

Оригиналом функции Um,]X(s) является

(г/т)"exp(—г/т)

Функция ДВых(0 имеет максимум при t = nx:

95-

Следовательно,

Нас интересует не общее выражение (2.24), а его величина,

•соответствующая целочисленным значениям п, при которых Ч/щ.вых имеет минимум. В работе [55] показано, что это выпол­ няется при условии

,2 л — 1

мальный формирователь с сигналом «сизр»-формы. В фильтрах 2, 3, 4 используются линии задержки. Треугольный фильтр 2 —- теоретически наилучший, так как имеет наименьший Кп.т и ми­ нимальную длительность, его практический вариант, фильтр 4, уступает треугольному лишь незначительно ( К п .ш больше на 2,5%). Трапецеидальный фильтр 5 имеет худшее отношение еиг-

94

Т„->оо

у фильтра 4. Следует также отметить, что биполярное форми­ рование (фильтры 3 и 9) ухудшает /(,, ш приблизительно на

20—50%.

В коммерческих усилителях для получения п, близкого к 6 , пользуются активными фильтрами, выполненными по схе­ ме Саллена и Кея [56], или операционными усилителями с ча­ стотнозависимой обратной связью [57]. Две-три такие секции

Уменьшение амплитуды; %

Рис. 2.12. Относительное изменение амплитуды сигнала в зависимости от времени нарастания импульса детектора /д:

обеспечивают форму выходного сигнала, близкую к гауссов­ ской.

Интересные результаты по разработке фильтра с сосредо­ точенными R —С—L-элементами опубликованы в работе [58]. Коэффициент превышения шума описанной в этой работе схемы

требований к последующим устройствам. Биполярный им­ пульс характеризуется /Сп.ш=1,75 при равных площадях поло­ жительной и отрицательной частей сигнала. Оригинален также подход автора к синтезу характеристик фильтра, который осуществляется на основе анализа полюсов и нулей переда­ точной функции.

превышает 50 мкВ/°С, что позволяет гальванически связывать секции с общим коэффициентом усиления до Ю3. Коэффици­ ент усиления с разомкнутой петлей обратной связи не менее

98