Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
(2.25)] амплитуда ВЧ-колебаний нарастает и спадает в зависимости от знака S экспоненциально во времени
где A0—амплитуда ВЧ-колебаний при f = 0; величина S в основном определяется расстройкой контура (со—(0о)/соо, которая происходит из-за изменения потенциала на р — п-переходе в момент регистрации частицы.
(2.25)
А = Л0ехр(5^),
77
Начальная скорость изменения амплитуды ВЧ-колебаний рав-
і
на
dA
dt t=о
т. е. в течение короткого начального интервала времени, когда изменение амплитуды ВЧ-колебаний значительно меньше A0y эффективное усиление параметрического каскада растет линейно во времени. Поэтому коэффициент усиления удобно рассчитывать ла единицу времени
где Uc— амплитуда входного сигнала, возникающего на р — га-йе-реходах диодов контура при регистрации частицы.
Чтобы не сказывались шумы первого каскада ВЧ-усилителя, коэффициент усиления параметрической входной схемы /(=100; должна быть сведена к минимуму и шумовая модуляция генератора накачки. В рассмотренной схеме применялась частота накачки 130 МГц; усилитель имел уровень шумов, эквивалентный 1,4 кэВ при 300 К и 0,64 кэВ при 77 К.
Параметрические усилители пока не получили широкого распространения в ядерной спектрометрии из-за сложности и конкуренции со стороны усилителей с полевыми транзисторами и оптимальной фильтрацией.
§ 2.4. ШУМЫ И ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ
2.4.1. ИСТОЧНИКИ ШУМОВ
При усилении слабых сигналов детекторов излучений серьезные трудности вызывают так называемые шумы—флуктуации напряжения, возникающие в усилителе одновременно с исследуемыми сигналами. Шумовые флуктуации накладываются на исследуемые сигналы и поэтому затрудняют их точное измерение. Для получения правильных результатов необходимо, чтобы амплитуда исследуемых сигналов значительно превышала амплитуду шумовых флуктуаций. Поэтому обычно говорят о получении максимального отношения исг/иш. Естественно, что для увеличения этого отношения прежде всего необходимо стремиться к увеличению числителя, т. е. к максимальному значению самого сигнала. Этот вопрос достаточно подробно рассматривался при анализе схем включения детекторов. Дальнейшее улучшение отношения Ucr/Um достигается уменьшением уровня шумов Um.
По своему происхождению шумы бывают двух видов. К первому относятся помехи или наводки, появляющиеся в результате плохого технического выполнения усилителя или вызванные внешними источниками электромагнитных колебаний. Эти шумы называют конструктивными. При достаточно продуманной конструкции их можно практически свести на нет. Второй вид шумов связан с
dA/dt
78
Vфлуктуациями электрических зарядов в транзисторах и деталях.
\Г1ри решении конкретных задач он может быть снижен до определенного уровня, но полностью его ликвидировать нельзя. В итоге этот вид шумов определяет отношение Uсг/Uнь поэтому вопросам ого уменьшения в дальнейшем уделяется основное внимание.
\ Шумы могут возникать в любой точке усилителя, состоящего ив нескольких каскадов. Очевидно, наибольший вклад в суммарный уровень шумов на выходе дает шум первого каскада. Шумами, возникающими в последующих каскадах, можно практически пренебречь. Для удобства оценки различных видов шумов их обычно приводят ко входу усилителя, т. е.
\ ^IU.BX ^ш.вых/^*
Рассмотрим основные источники и виды шумов, вызванных флуктуациями электрических зарядов.
\ Контурные шумы. Флуктуационные напряжения возникают на зажимах сопротивления даже в том случае, когда оно не подключено к источнику ЭДС. Это объясняется тем, что в проводнике всегда имеются свободные электроны, находящиеся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в определенный момент времени в одном направлении проходит больше электронов, чем в другом, т. е. при среднем токе, равном нулю, мгновенные значения тока, текущего через проводник, отличны от нуля и имеют разные знаки. Эти мгновенные изменения тока создают на сопротивлении флуктуации напряжения — так называемые контурные или тепловые шумы, содержащие все частоты от 0 даоо. Поэтому подключенное ко входу усилителя сопротивление нагрузки детектора излучения Rk служит источником шумов. Эти шумы можно обнаружить на выходе усилителя при помощи осциллографа. Их спектр, очевидно, будет ограничен как емкостью Cbxj подключенной параллельно сопротивлению Rh, так и полосой пропускания усилителя Af = fB—/н (рис. 2.23). Среднее квадратическое значение контурных (тепловых) шумов определяется формулой Найквиста
______ fB
f/ш.т = ш f Ra >н
г df,
(2.26)
где k — постоянная Больцмана; f в и /н — соответственно верхняя и нижняя границы рассматриваемого спектра;
Rslkt — активная составляющая шумящего элемента.
В реальной схеме уровень контурных шумов определяется не только абсолютным значением разности граничных частот, но и
T — абсолютная температура;
Усилитель
Вход
т
1Jl
It
I ^вых
. -V
*И Af
.івыход
Рис. 2.23. Усилитель с полосой пропускания Af и интегрирующей i?H Cb г-цепью на входе
79
расположением полосы пропускания в спектре. Поэтому обычно/ рассматривают распределение энергии тепловых шумов по частот/ ному спектру — так называемую спектральную плотность
