Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
2.3.5. ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
Отличительная особенность основных типов полупроводниковых детекторов состоит в том, что их емкость зависит от смещающего напряжения Ucm. Она определяется в основном емкостью р — я-перехода, пропорциональна его площади и обратно пропорциональна корню квадратному из смещающего напряжения V^cm * Поэтому изменение напряжения смещения приводит к изменению емкости детектора и, следовательно, к изменению сигнала на его нагрузке. Действительно, в случае интегрирующей цепи на входе обычного усилителя амплитуда импульса напряжения будет равна
Un = QlCn^QfCjv (2.19)
где Q — заряд, образованный на детекторе ионизующей частицей, a Cbx равна сумме емкости детектора Сд и емкости входа усилителя Свх.ус : Свх = Сд+Свх.ус, и П0СК0ЛЬКУ Обычно Сд>Свх.ус> ТО Cbx ~
~ Сд.
Нестабильность емкости детектора, приводящая к изменению сигнала, крайне нежелательна для полупроводникового детектора, так как он обладает очень высокой разрешающей способностью. Напомним, что в полупроводниковом детекторе на образование каждой пары ионов расходуется энергия 3,5 эВ, в то время как в ионизационных камерах 30 эВ, а в сцинтилляционных детекторах 0,7 эВ. Поэтому в предварительном усилителе для полупроводникового детектора используют схемы с минимальным уровнем шумов и принимают меры, исключающие влияние емкости детектора на величину сигнала.
Основная схема зарядочувствительного усилителя. Чтобы сигнал на выходе усилителя не зависел от напряжения смещения, а следовательно, и от изменения емкости детектора, схема предварительного усилителя охватывается отрицательной обратной свя-
70
Ro.C ' a)
Ugbix Выход
Есм
О
Рис. 2.18. Предварительный усилитель с отрицательной обратной связью по заряду:
а- с Ренн’ і пвпо-емкостной связью; б — с оптоэлектронной связью
зью по заряду (рис. 2.18,а). Такая связь осуществляется небольшим конденсатором С0.с, соединяющим выход усилителя CO входом. Отметим, что коэффициент усиления схемы без обратной связи делается достаточно большим (/C= 100-=-1000). Определим напряжение сигнала на выходе схемы предварительного усилителя, полагая, что ионизующая частица образует в детекторе заряд Q. Этот заряд распределяется между емкостью входа Свх, которая в данном случае определяется также как сумма емкости детектора Сд и входной емкости усилителя Свх.ус (см. рис. 2.18,а), и емкостью обратной связи C0.с. Полагая, что полный заряд Q, собираемый детектором, делится на заряды Qbx и Q0.c, которые поступают соответственно в емкости Cbx и C0.с, запишем следующие уравнения:
Так как Cbx и С0.с одного порядка, а коэффициент усиления К велик, поэтому
т. е. амплитуда сигнала на выходе предварительного усилителя определяется зарядом, образованным ионизующей частицей в детекторе и емкостью обратной связи С0.с, и практически не зависит от емкости перехода (Сд~ Свх)> а следовательно, от напряжения смещения иСш- Таким образом, введение отрицательной обратной связи по заряду стабилизирует не только усилитель, но и сам источник сигнала — детектор. Из выражения (2.21) видно, что ем-
Решая эти уравнения относительно Ubux, получаем
(2.20)
В этом выражении Свх.1_Со-с C0 с.
^Bbix — Q/^o.o
(2.21)
71
кость C0.с должна иметь высокую стабильность. В качестве этой емкости используется конденсатор с малой температурной зависимостью. Значение емкости С0.с берут порядка нескольких пикофарад, сделать ее меньше трудно, так как возрастет влияние паразитных емкостей, ухудшающих стабильность схемы.
Как правило, в зарядочувствительных усилителях параллельно конденсатору обратной связи C0.с подключают резистор. Этот резистор обеспечивает обратную связь по постоянному току и фактически является сопротивлением нагрузки детектора. Оно определяет скорость восстановления потенциала на входе после регистрации частицы (твх = ^о.сС0.с). Заметим, что сопротивление нагрузки иногда подключают не к выходу схемы, а на землю. Это приводит к увеличению постоянной времени входа, которая в этом случае будет равна %Вх = [(СПх + Сох) (I + K)}Ru, и ухудшению стабильности работы усилителя из-за отсутствия цепи обратной связи по постоянному току. Поэтому включение R,KC параллельно C0.с более предпочтительно. Принципиальная схсма предварительного усилителя с зарядовой обратной связью приведена на рис. 2.19. Для обеспечения малого уровня шумов входной каскад усилителя, как правило, выполняется по каскодной схеме, состоящей из полевого транзистора Т\ и биполярного транзистора T2. Полевой транзистор по своим характеристикам больше других активных элементов подходит для малошумящих усилителей. Ток, протекающий через канал полевого транзистора, создается только основными носителями, поэтому усилительные свойства не зависят от времени жизни неосновных носителей, как это имеет место в биполярных
транзисторах. При снижении температуры до 140 К из-за увеличения подвижности основных носителей возрастает крутизна и
соответственно снижается уровень шумов. Поэтому входной полевой транзистор охлаждается вместе с детектором в одном криостате. Второй транзистор каскада T2 также выбирают с малым уровнем шумов. Его база заземлена по переменному току и проходная емкость незначительная, что снижает вклад последовательных шумов входного полевого транзистора. Остальные элементы схемы служат для включения цепи обратной связи и согласования с последующими секциями усилителя.
