книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

Раздел пятый

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИИ

Г л а в а 1

'ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ

При конструировании высокочувствительных ламповых уси­ лителей необходимо применять в первых каскадах лампы с малым эквивалентным сопротивлением шумов, а именно, триоды с большой крутизной s, поскольку их шумовое сопротивление равно

в то время как для пентода величина R N определяется формулой

где / а0 и / а0 — токи в цепи анода и экранной сетки.

Т а б л и ц а 1

Зная величину R N, нетрудно найти эффективное шумовое на­ пряжение, вносимое лампой:

181

Схемы малошумящих низкочастотных усилителей приведены в [1—14] и в [20, 21].

На основе применения усилителей с дополнительными узко­ полосными фильтрами можно измерять переменные низкочастот­ ные напряжения порядка нескольких нановольт [7]. Измерение малых токов можно проводить с помощью электрометрических усилителей, описание которых дано в § 1 гл. 1.

В качестве примера применения узкополосных усилителей с ис­ пользованием триода в первом каскаде для измерения низкочастот­ ных напряжений порядка нановольт на рис. 72 и 73 приведены эле­ менты схемы низкочастотного нановольтметра [7]. Он состоит из измерительного усилителя У2-1А (28ИМ) и осциллографа С1-1 (ЭО-7) с активным трехзвенным 7?С-фильтром (Д/ = (0,1 -4-5) гц), собранным на лампе первого каскада вертикального усилителя осциллографа с заменой лампы 6Н8С на лампу 6Н9С и включением

вее анодную цепь добавочного переменного сопротивления Ra =

=150 кОм. Калибровка чувствительности нановольтметра осу­ ществлена с помощью катодного вольтметра и двухступенчатого делителя напряжения (1 : 1000 и 1 : 100) от звукового генератора B3-13 (ГЗ-35). С целью уменьшения взаимного влияния генерато­ ра, усилителя, осциллографа и стабилизаторов питания эти при­ боры разнесены друг от друга на расстояние до трех метров, а их коммутация осуществлена коаксиальным кабелем РК-75-4—11 (РК-101).

Активный PC-фильтр, настроенный на частоту / = 550 гц, состоит из трех звеньев для поворота фазы на 180°, что обеспечи-

Рис. 72. Блок-схема низкочастотного нановольтметра

I — усилитель; 2 — осциллограф; 3 — катодный вольтметр; 4J— звуковой {генератор калибровки

Рис. 73. Принципиальная схема активного трехзвенного /^С-фильтра j

1S2

а

вает возможность работы схемы как регенеративного усилителя

сэквивалентным высокодобротным контуром (Аf = (0,1 -г 5) гц). Регулировка усиления в данной схеме осуществляется потен­

циометром в цепи катода выходной лампы.

На рис. 74 показан типичный вид выходного сигнала нановольт­ метра при различных напряжениях на его входе.

§ 1 . Электрометрические усилители

Для измерения весьма малых токов в высокоомных цепях (на­ пример, в цепях с ФЭУ или масс-спектрометрической камерой, ионизационной камерой и др.) применяются электрометрические усилители, которые обладают очень большим входным сопротив­ лением Двх ~ 1011 ІО12 Ом на малых частотах (единицы или до- ■ли герца) и большим коэффициентом усиления по току.

Теория электрометрических усилителей в настоящее время хо­ рошо известна [15]. Приведем некоторые соотношения для пре­ дельной чувствительности таких усилителей и рассмотрим две кон­ кретные схемы этих устройств.

183

При очень большом сеточном сопротивлении, применяемом в электрометрических усилителях, тепловой шум определяется уже не величиной этого сопротивления, а величиной емкостей сетка — катод и сетка — анод (CgK и С?а):

1,3 мкВ, что соответствует предельной чувствительности усилителя

т. е. величина флуктуации тока будет составлять (Р)'/2 =

=0,45-ІО-19 А при времени наблюдения т = RC — ІО8 с.

Вбольшинстве случаев, однако, фактором, определяющим пре­ дельную чувствительность электрометрического усилителя, явля­ ется дрейф нуля, зависящий от целого ряда причин — нестабиль­ ности питающих напряжений, нестабильности параметров ламп и

старения их катодов, температурного режима и т. д., поэтому, чем меньше будет влияние таких факторов на схему, тем выше бу­ дет ее чувствительность.

На рис. 75 [13] приведена схема электрометрического усили­ теля для измерения постоянного тока в пределах от 1-10-15 до 3-10_s А с пентодной электрометрической лампой. Применение электрометрического пентода вместо тетрода позволяет повысить коэффициент усиления этого каскада с нескольких единиц до не­ скольких десятков (до 80—100). Это дает возможность снизить требования к величине дрейфа последующих каскадов усилителя, который поэтому может быть сделан транзисторным.

Усилитель собран по четырехкаскадной схеме со 100%-ной от­ рицательной обратной связью. В качестве электрометрической лам­ пы использован сверхминиатюрный электрометрический пентод стержневого типа (П5), ток сетки которого равен (3-4-5)- ІО-15 А, а коэффициент усиления в данной схеме равен приблизительно 100.

Компенсация дрейфа рабочей точки при изменении напряжения питания накала осуществляется напряжением смещения на R 3. Коэффициент усиления лампы Л %около 10, а суммарный коэффи­ циент усиления всей схемы (по напряжению) равен ~ 104. Постоян­ ная времени усилителя при = 1012 Ом составляет 0,1 с, дрейф

184

Йfß 33N

Рис. 75. Принципиальная схема усилителя^Нш электрометрических пентодах

нуля, приведенный ко входу, не превышает 0,15 мВ!° С, а макси­ мальная амплитуда флуктуаций равна приблизительно 1 мВ.

Данный усилитель может быть использован для измерения на­ пряжений от 1 мВ до 30 В в высокоомных цепях, а также для из

185

мерения сопротивлений порядка ІО14—101в Ом путем измерения - тока в цепи, состоящей из входного сопротивления усилителя и включенного последовательно с ним измеряемого сопротивления Rx, к которым приложено напряжение порядка 10 В. Отметим,что применение транзисторов в схеме значительно уменьшает габариты прибора и источников питания.

Рассмотрим еще один тип электрометрического усилителя, ко­ торый может быть использован для измерения тока положительных

Электрометрический пентод П5 работает в следующем режиме: -

Коэффициент усиления первого каскада на электрометрической лампе равен ~30.

Транзисторный усилитель собран на триодах с большим коэф­ фициентом усиления по току ( >0,95), причем первые два каскада транзисторного усилителя охвачены отрицательной обратной связью по току, а четвертый каскад имеет отрицательную обратную связь

лографу постоянного тока по ширине шумовой дорожки), а на вы­ ходе Тъ (без фильтра) UN — 10 мВ (здесь речь идет о пиковых на­ пряжениях, которые в •—'3 раза превышают среднеквадратические. Если принять константу фликкер-эффекта, равной 0,2-1011, то ве­ личина этого шума будет близка к измеренной, которая пример­ но в 3—4 раза превышает тепловой шум входного сопротивления R .

§2. Фотоэлектрические компенсационные усилители

Вэтом параграфе будут рассмотрены некоторые конкретные схе­ мы фотоэлектрических усилителей и особенности работы с ними.

Обычно принято различать два основных типа фотокомпенсационных приборов, в которых компенсация осуществляется по напря­ жению или по току.

Первый тип прибора (рис. 77) представляет собой балансную схему, в которой полярность включения гальванометра выбрана так, чтобы при увеличении падения напряжения на катодном со­ противлении лампы Л 2 ток через гальванометр уменьшался. Это

приводит к установлению рамки гальванометра в такое положение,

1 Относительно точки а.

186

для которого измеряемое напряжение будет равно падению напря­ жения на катодном сопротивлении лампы Л 3.

Изменение тока через миллиамперметр при этом будет опреде­ ляться формулой

если чувствительность гальванометра достаточно велика, чтобы пренебречь «током рассогласования», удерживающим рамку галь­ ванометра в данном положении.

Данная схема может работать в качестве стабилизатора тока или напряжения. Так, если на сетку лампы подать постоянное напряже­ ние, например от батареи, аккумулятора или нормального элемен­ та, то данная схема будет работать как стабилизатор тока, проте­ кающего в цепи миллиамперметра, причем коэффициент стабилиза­ ции ие будет зависеть от изменения параметров элементов самой схемы (это следует из формулы (5.7)).

При снятии напряжения на нагрузку с точек (1) — (1') будем иметь стабилизатор напряжения (рис. 78).

Схема фотокомпенсационного усилителя напряжения на фотоэле­ ментах приведена на рис. 79 [15]. Обратная связь здесь осуществля­ ется через сопротивление Добр.св в цепи выходного микроампер­ метра, а в качестве светочувствительных датчиков использованы селеновые фотоэлементы. Это дает возможность не применять до­ полнительный источник тока. При мощности лампочки подсвета

Рис. 77. Схема простого балансного фотокомпенсационного усилителя

Рис. 78. Схема фотокомпенсационного стабилизатора напряжения

Рис. 79. Схема балансного уси­ лителя на фотоэлементах (ФЭ) с использованием обратной свя­ зи по току

Рис. 80. Схема универсального фотоэлектрического усилителя типа Ф16

На рис. 80 приведена принципиальная схема высокочувствитель­ ного фотокомпенсационного усилителя типа Ф16 для измерения тока и напряжения.

Максимальная чувствительность этого прибора по току и по

тор или конденсатор (ДС-цепочка). Это позволяет измерять маг­ нитный поток CD*, индуцирующий э. д. с. в катушке ИК (рис. 81).

188

В этом случае такой прибор работает в качестве веберметра, в ко­ тором благодаря обратной связи UK,“'создаваемой на дифференци­ рующем трансформаторе Тр, уменьшается скорость «сползания» указателя выходного прибора в нулевое положение. Выпускаемые в настоящее время промышленностью приборы такого типа (Ф18,

их изготовлении и принятии специальных мер по уменьшению не­ тепловых шумов (вибрация, изменения температурного режима, электромагнитные наводки и' т. д.) может быть близка к теорети­ ческому пределу, определяемому шумовой теоремой Найквиста. При этом величина предельно измеримых э. д. с. достигает ~ 10 -10 В при времени измерения порядка нескольких десятков секунд или единиц минут [ 15—18 ].

Одним из наиболее «неприятных» недостатков применения элект­ рометрических усилителей являются паразитные термо-э. д. с., которые в некоторых случаях бывают намного выше предельной чувствительности прибора и делают невозможным проведение пре­ дельных измерений, если не принимать специальных мер.

К числу таких мер надо отнести прежде всего использование подводящих проводов с минимальным числом «разъемов», причем

Рис. 81. Фотокомпенсациониая схема для измерения магнит­ ного потока фд:

И К — измерительная катушка

провода должны быть медными, так как сами клеммы таких при­ боров изготовлены из меди и поэтому применение других металлов нежелательно. Кроме того, следует по возможности избегать паяных соединений, применения латунных зажимных контактов, а также переменных сопротивлений любого типа ввиду их сильного влияния как за счет нестабильности, так и за счет термо-э. д. с. между контактами (отметим, что клеммы (выводы) практически всех ти­ пов сопротивлений являются латунными и это надо иметь в виду при установлении их температурного режима работы).

Весьма желательно также принятие специальных мер для за­ щиты от наводок паразитных э. д. с. путем применения бифилярных подводок и создания специальных компенсирующих петель [19], поскольку в некоторых случаях окисленные контакты между

189

металлическими электродами могут работать в качествё выпрями­ тельных элементов.

Питание высокочувствительных фотоэлектрических приборов целесообразно осуществлять через дополнительные стабилизаторы напряжения с возможно большей точностью стабилизации (0,1 ~ 0,5 % и выше).

Для исключения влияния вибраций на работу приборов их не­ обходимо устанавливать на прочном основании, жестко скреплен­ ном с капитальной стеной или поставленном на независимый фун­ дамент. (Применять какие-либо специальные противовнбрационные подвесы, как правило, нецелесообразно ввиду их громоздкости и неудобства работы.) Особенно тщательно надо следить за стабиль­ ностью температурного режима в помещении, за отсутствием по­ токов воздуха (сквозняков, конвекционных потоков и др.), т. е. нельзя устанавливать такие приборы, например, на подоконниках или вблизи других работающих приборов, которые создают мест­ ный нагрев и электромагнитные наводки за счет работы трансфор­ маторов, дросселей и т. п.

Контроль чувствительности приборов в процессе измерения не­ обходимо проводить регулярно для исключения ошибок, обуслов­ ленных дрейфом нуля прибора и изменением паразитных э. д. с. Таковы, в общих чертах, те меры, которые позволят работать с

Параметрическими усилителями называются такие усилитель­ ные системы, которые содержат один или несколько реактивных элементов с периодически изменяющимися во времени парамет­ рами.

Принцип параметрического усиления можно проиллюстриро­ вать на примере работы схемы с изменяющейся емкостью колеба­ тельного контура (рис. 82, о).

Пусть в контуре LC имеют место электрические колебания с частотой со0 = (LC)_I/2 (напряжение сигнала). Если в момент по­ явления на конденсаторе С максимума напряжения мгновенно уве­ личить расстояние между его пластинами (уменьшить его емкость), то при этом напряжение на нем также возрастет, а энергия, за­ пасенная в колебательном контуре, увеличится. Это произойдет по той причине, что при увеличении расстояния между пластинами конденсатора С затрачивается энергия (от внешнего источника)

190