НИЯУ МИФИ Кафедра 7 Экспериментальной ядерной физики

НИЯУ МИФИ Кафедра № 7 «Экспериментальной ядерной физики и космофизики» Специальность: 140302 – физика атомного ядра и частиц Специализация: микро- и космофизика Дисциплина: Ядерная электроника Группа T 07 -07 Лекция № 2 Схемы связи детекторов с электронными устройствами 2012/2013

План лекции - Параметры усилителя - Связь детектора с усилителем - Разновидности усилителей - Виды обратной связи. Отрицательная обратная связь - Операционный усилитель Ядерная электроника. Лекция№ 2 2/20

Выбор параметров усилителя Для получения максимальной амплитуды сигнала по напряжению Uвх входную ёмкость усилителя берут минимальной, а входное сопротивление Rвх подбирают больше сопротивления нагрузки Rн. В этом случае изменение сопротивления Rвх меньше сказывается на параметры сигнала. U -> max при Свх -> min и Rвх >> Rн Для усиления токового сигнала с детектора необходимо входное сопротивление усилителя меньше сопротивления нагрузки: I -> max при Свх -> min и Rвх << Rн Ядерная электроника. Лекция№ 2 3/20

Связь сопротивления нагрузки и усилителем Гальваническая связь Связь Rн детектора с усилительным каскадом может быть гальванической и через разделительный конденсатор. В первом случае Rн является элементом усилителя и влияет на режим транзистора. Реализация гальванической связи проще и требует меньше элементов. Она ограничивает выбор Rн в зависимости от режима транзистора и не применима при высоких потенциалах. Ядерная электроника. Лекция№ 2 4/20

Связь сопротивления нагрузки и усилителем Режим транзистора задаётся резисторами R 1 и R 2. Ёмкость Сс может быть выбрана с большим запасом по напряжению и малым токам утечки. Связь через разделительную ёмкость Ядерная электроника. Лекция№ 2 5/20

Выбор емкости свзяи Сс Упрощенная эквивалентная схема связи через разделительную ёмкость является интегрирующей цепочкой. R`н=Rн. Rc/(Rн+Rc) Эквивалентная схема Ядерная электроника. Лекция№ 2 6/20

Усиление сигналов Основные разновидности усилителей сигналов: - Усилители тока - Усилители напряжения - Усилители временные - Спектрометрические усилители Ядерная электроника. Лекция№ 2 7/20

Усилители напряжения Усиливает импульсы напряжения, снимаемые с Rн (104 -105 Ом). Должен обладать большим входным сопротивлением. Если амплитуда сигнала с детектора значительно превышает шумы, не требуя большого усиления, то связь детектора с электроникой можно реализовать с помощью эмиттерного повторителя. Ядерная электроника. Лекция№ 2 8/20

Усилители напряжения Для передачи импульсов малой амплитуды необходимы усилители с малыми собственными шумами. Для этого хорошо подходят схемы на полевых транзисторах. Ядерная электроника. Лекция№ 2 9/20

Усилитель тока Используются в быстродействующих схемах для определения временных корреляций или при больших загрузках детектора. Для передачи импульсов используют Rвх << Rн, тогда τвх = Rвх. Свх << ti В качестве усилителя тока можно использовать каскад с общей базой. Входное сопротивление: Rвх = Rэ + (1 – α)Rб Емкость Ссв подбирается из условия неискажения передачи импульса тока в низкоомную цепь эмиттера Т 1 Ядерная электроника. Лекция№ 2 10/20

Временные усилители По назначению усилители делятся на временные и спектрометрические. Временные хорошо передают крутые фронты сигналов, используются для точной временной привязки или при больших загрузках детектора. Имеют широкую полосу пропускания 108 -109 Гц. Современные образцы обладают временем нарастания до 0. 5 нс. Ядерная электроника. Лекция№ 2 11/20

Спектрометрические усилители Это линейные усилители, применяемые для прецизионных амплитудных измерений. Типичная нелинейность до 10 -4, нестабильность до 10 -5. Времена нарастания ~ 1 мкс, средняя частота 105 имп/с. Коэффициент усиления 106 -107. Как правило, состоят из блоков предварительного и основного усиления. 1 - секция 2 - регулирующие и формирующие элементы 3 - обратная связь Ядерная электроника. Лекция№ 2 12/20

Отрицательная обратная связь Предварительный усилитель размещают непосредственно у детектора, для минимизации наводок и паразитных ёмкостей. Основной за радиационной защитой ближе к системам управления и ЭВМ. Для получения высокого усиления в каждой из секций используется отрицательная обратная связь, стабилизирующая параметры усилителя. без ОС с ОС Ядерная электроника. Лекция№ 2 13/20

Отрицательная обратная связь Для ООС (β<0) Kβ – фактор обратной связи Относительная нестабильность d. Kос/Kос в (1+Kβ) раз меньше чем без обратной связи. При введении ООС нелинейные искажения также ослабляются в (1+Kβ) раз. ООС влияет и на частотные характеристики усилителя. Ядерная электроника. Лекция№ 2 14/20

Элементная база усилителей Секции линейных усилителей выполняются на интегральных микросхемах, часто применяются операционные усилители (OУ). ОУ состоит из нескольких гальванической связью Ядерная электроника. Лекция№ 2 каскадов, соединенных 15/20

Операционный усилитель Два дифференцирующих каскада T 1, T 2 и Т 4, Т 5 и усилительный каскад Т 7. Генератор стабильного тока Т 3 и Т 8. Согласующий элемент Т 6. Коэффициент усиления определяется дифференцирующими каскадами и Т 7. Операционный усилитель 140 УД 1 Ядерная электроника. Лекция№ 2 16/20

Паралелльная ООС Отрицательная обратная связь задаётся резисторами R 1 и R 2 и корректирующей ёмкостью. Uвых = - Uвх. R 1/R 2 тогда К=R 1/R 2 На нижних и средних частотах коэффициент усиления секции определяется внешней цепью из R 1 и R 2 и обладает высокой стабильностью. Ядерная электроника. Лекция№ 2 17/20

Операционный усилитель В цифро-аналоговых преобразователях часто ОУ с параллельной ОС используется для суммирования токов. В такой схеме используется один резистор. Входное сопротивление очень мало: Выходное напряжение пропорционально сумме токов в узле О. (Виртуальная земля) Ядерная электроника. Лекция№ 2 18/20

Операционный усилитель Если требуется большое входное сопротивление, то применяется ОУ с ОС последовательного типа. Ядерная электроника. Лекция№ 2 19/20

Заключение Несмотря на обширную элементную базу электроники и широкий выбор усилителей, в экспериментах часто предъявляются особые требования к усилительному каскаду, которые вынуждают использовать специальные схемы (например, гибридные). Ядерная электроника. Лекция№ 2 20/20