Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

шумовых источников собственно усилителя. Эти показатели принято называть первичными шумовыми параметрами усилителя.

Вторичные шумовые параметры. Шумы в электронных уси-

лителях складываются из шумов источника входного сигнала, тепловых шумов омических элементов, а также шумов нагрузки. При этом наиболее удобной формой оценки суммарных шумов является отношение сигнал/шум, определяемое отношением амплитуды выходного напряжения усилителя Uвыхт к пиковому значению средне-

квадратичного напряжения суммарного шума Uвых.ш р−р , т.е.

μш = Uвыхт . Uвых.ш р−р

Первичные шумовые параметры, рассмотренные в предыдущем разделе, являются универсальной шумовой характеристикой усилителя, позволяющей определять отношение сигнал/шум в экстремальных условиях, а именно в режимах короткого замыкания. Поэтому они не позволяют непосредственно оценить отношение сигнал/шум с учетом шумов источника входного сигнала и нагрузки, т.е. в реальных условиях работы усилителя.

Для определения отношения сигнал/шум на практике часто используется коэффициент шума F, который определяется как отношение среднеквадратичного значения шумового напряжения на

выходе усилителя Uвых.ш 2 (без учета нагрузки) к той части этого напряжения, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивле-

– среднеквадратичное значение приведенного к входу шумового напряжения усилителя, определяемое тепловым шумом источника

91

межуточным усилителем без заметного искажения крутых перепадов импульсов.

Большинство современных датчиков, преобразующих различные формы энергии в электрическую, представляют собой приборы с высокоомным выходом, как, например, различного рода счетчики (Гейгера— Мюллера; Черенкова; сцинтилляционные; пропорциональные), ионизационные камеры, полупроводниковые детекторы и т.д. Поэтому даже при незначительных паразитных емкостях, шунтирующих вход предусилителя, возникают существенные искажения крутых перепадов усиливаемых импульсов. Такие искажения появляются и при работе от низкоомных датчиков сигналов, если выходная емкость датчика значительной величины — порядка десятка и сотни пикофарад. Для уменьшения указанных искажений в дискретной электронике применяются схемы противошумовой коррекции, известные еще со времен ламповой техники.

В предусилителях на АИМС противошумовую коррекцию удобно реализовать при помощи комплексных обратных связей, которые позволяют на порядок и более уменьшить искажения крутых перепадов импульсов. Применяются схемы как с параллельной обратной связью, так и с последовательной. Эффективность

( tфр.вх = 2,2RдСд.вх ) к ее величине на выходе предусилителя tфр.пу,

повышается при включении в канале передачи сигнала обратной связи резистивно-емкостного делителя напряжения. В схеме с последовательной обратной связью (см. рис. 3.4,а) резисторы R1 и R2 шунтируются конденсаторами С1 и С2, емкость которых рассчитывают так, чтобы получить требуемые значения сигнальных параметров в области малых времен. В схеме же с параллельной обратной связью (см. рис. 3.4,б) функции резистора R2 и конденсатора С2 выполняют соответственно внутреннее сопротивления датчика импульсов Rд и паразитная емкость Сд.вх = Сд + Свх.ис, которая складывается из выходной емкости датчика Сд и входной емкости микросхемы Свх.ис (включая паразитную емкость монтажа). Сигнал обратной связи подается на инвертирующий вход через

93

Zос = Rос/(pRосCос + 1). На рис. 3.4 резисторы R1, R2, Rос, Rд и емкости С1, С2, Сос, Сд включены параллельно и входят в Z1, Z2, Zос, Zд.

При выборе микросхемы наряду с учетом ее шумовых показателей руководствуются также требованиями к сигнальным параметрам предусилителя; прежде всего параметрами, характеризующими точность воспроизведения входного импульса, а именно – длительностью фронта на выходе предусилителя tфр.пу и относительным значением выброса εпу, а также усилением, определяемым трансрезистансом Rтр или коэффициентом усиления по напряжению Kипу. Эти параметры в значительной степени определяются частотой единичного усиления микросхемы f1кор.

Для обеспечения высокой эффективности противошумовой коррекции и достаточного усиления сигналов необходимо использовать высокочастотную АИМС. Разумеется, наряду с этим требуются и соответствующие схемотехнические меры, прежде всего связанные с обеспечением достаточно глубокой обратной связи с одной стороны, а с другой – требуемого усиления с соответствующим выбором сопротивлений резисторов в цепи обратной связи. При этом следует иметь в виду, что тепловые шумы этих резисторов оказывают определенное влияние на шумовые показатели предусилителя. Именно в этом заключается одна из особенностей малошумящих предусилителей.

Последовательную обратную связь применяют в предусилителях с противошумовой коррекцией (см. рис. 3.4,а), предназначенных для усиления сигналов, которые формируются на выходе высокоомного датчика. При этом предпочтение отдают малошумящей АИМС с высокоомным входом, благодаря чему первичный шумовой ток iш оказывается малой величины.

Представляет интерес использование в таких предусилителях АИМС, входной каскад которых построен на униполярных транзисторах, первичный шумовой ток которых оказывается пренебрежимо малой величины.

Параллельную обратную связь включают при усилении сигналов, поступающих от низкоомного датчика. При этом лучшими оказываются шумовые параметры предусилителя, в особенности при использовании малошумящей АИМС со сравнительно низко-

94

омным входом, характерной особенностью которой является низкое первичное напряжение еш.

Отметим, что понятие низкоомный или высокоомный датчик относительное; оно определяется в зависимости от того, при каком виде обратной связи — параллельной или последовательной — при прочих равных условиях можно получить большую эффективность коррекции λпк или большее отношение сигнал/шум μш. Окончательный выбор вида обратной связи производят сопоставлением указанных характеристик эскизных проектов предусилителей, выполненных с параллельной и последовательной обратной связью.

Зарядо-чувствительные усилители на малошумящих АИМС. Зарядо-чувствительные усилители, применяемые в экспериментальной физике, предназначены для усиления импульсов микро- и наносекундного диапазона, амплитуда которых, как правило, сравнима с шумовыми сигналами. В отличие от малошумящих усилителей с противошумовой коррекцией зарядочувствительные усилители наряду с воспроизведением импульсов с амплитудой, пропорциональной заряду импульса на выходе датчика, производят формирование выходного импульса с заданной длительностью, продолжительность которой определяется разрешающей способностью регистрирующего устройства.

Начиная с 20-х годов ХХ века и по настоящее время в качестве зарядо-чувствительных усилителей используются схемы с параллельной обратной связью. На АИМС такой усилитель реализуется соединением выхода АИМС с ее инвертирующим входом через высокоомный резистор R1 = (1…100) МОм, который шунтируется конденсатором небольшой емкости С1 = (1…5) пФ (см. рис. 3.4,б).

Между тем, как показывает анализ, при работе от высокоомного датчика следует использовать последовательную обратную связь (см. рис. 3.4,а), поскольку при этом удается сохранить на низком уровне шумовой ток. При этом лучшими оказываются как шумовые показатели, так и сигнальные параметры усилителя.

Для формирования импульса по длительности используют шейпер, представляющий собой фильтр верхних частот в виде простейшей дифференцирующей RC-цепи, которую подключают к выходу усилителя. При выборе постоянной времени шейпера учиты-

95

По принципу построения усилители постоянных сигналов делятся на два широких класса: усилители прямого усиления с непосредственной связью и усилители с преобразованием сигнала.

Усилители прямого усиления строятся на обычных усилительных каскадах, в которых не применяются ни разделительные конденсаторы или трансформаторы, ни блокирующие цепи. Как известно, эти цепи содержат реактивные элементы (конденсаторы, трансформаторы), которые уменьшают усиление низкочастотных сигналов, а разделительные элементы вообще исключают воспроизведение в стационарном режиме постоянной составляющей сигналов. В усилителях прямого усиления каскады соединяются непосредственно друг с другом без разделительных конденсаторов и трансформаторов.

В настоящее время такие усилители широко используют в микроэлектронике не только как усилители постоянных сигналов, но и в качестве усилителей переменных сигналов.

Усилитель прямого усиления имеет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с низшей граничной частотой fн = 0 (рис. 3.5). Высшая граничная частота fв определяется инерционностью транзисторов, а также паразитными емкостями и индуктивностями.

Рис. 3.5. АЧХ усилителя постоянных сигналов

Поскольку усилитель прямого усиления отличается от обычных апериодических усилителей в основном своими характеристиками в области низших частот, то мы будем рассматривать их особенности только в этой области.

97

возможно больший коэффициент усиления;

высокая стабильность характеристик усилителя;

малое выходное сопротивление и большое входное;

низкий уровень линейных и нелинейных искажений.

Благодаря указанным особенностям операционный усилитель представлял собой универсальный и многофункциональный элемент. Поэтому когда микроэлектроника обеспечила возможность реализации операционных усилителей со сравнительно малыми затратами, их стали широко применять в радиоэлектронной аппаратуре.

Интегральные операционные усилители [4] обычно состоят из входного каскада, каскадов усиления, каскада сдвига потенциального уровня и выходного каскада, образующих усилитель с непосредственными связями между каскадами. Последнее обстоятельство позволяет использовать их в качестве усилителя прямого усиления.

Не менее важным параметром является дрейф выходного напряжения. Как известно, в усилительных каскадах положение рабочей точки (при Uг = 0) непрерывно меняется из-за временной и температурной нестабильности параметров элементов усилителя и источников напряжения. Это приводит к самопроизвольным изменениям выходного напряжения и тока, т.е. к дрейфу нуля.

Такие факторы действуют и в усилителях переменных сигналов. Однако как временная, так и температурная нестабильность представляют сравнительно медленные процессы, поэтому они не передаются из каскада в каскад (разделительные элементы не пропускают их), следовательно, не усиливаются и не поступают на выход. Поэтому дрейф нуля – это характерная особенность усилителей постоянных сигналов.

Дрейф, обусловленный временной и температурной нестабильностью параметров элементов схемы (транзисторов, резисторов, стабилитронов) и источников питания, можно представить в виде двух составляющих. Первая из них – медленно изменяющаяся составляющая дрейфа – проявляется в течение нескольких секунд, минут или часов. Более быстрые, беспорядочные колебания меня-

ются за 0,1–0,01 с.

99