Презентация "Лекция №3Зарядочувствительный предварительный усилитель" – проект, доклад

Лекция №3 Зарядочувствительный предварительный усилитель

НИЯУ МИФИ

Специальность:140302 – физика атомного ядра и частиц Специализация: микро- и космофизика Дисциплина: Ядерная электроника Группа T07-07

2012/2013

Кафедра №7 «Экспериментальной ядерной физики и космофизики»

Ядерная электроника. Лекция№3 2/20

План лекции

- Зарядочувствительный усилитель - Шумы и фильтрация сигналов - Эквивалентный шумовой заряд

Ядерная электроника. Лекция№3 3/20

Зарядочувствительный усилитель

Для большинства ППД емкость детектор зависит от Uсм На выходе интегрирующей цепи обычного усилителя Нестабильность ёмкости детектора сильно влияет на сигнал и требует использовать предварительный усилитель с малыми шумами, с применением отрицательной обратной связи.

Ядерная электроника. Лекция№3 4/20

Предусилитель с ООС для детекторов с малой ёмкостью

Обратная связь реализована через ёмкость Сос и позволяет устранить зависимость от Uсм.

Q = Qвх + Qос Qвх = СвхUвх Qос = Сос(Uвх – Uвых) Uвых = -KUвх

Т.к. Свх и Сос одного порядка и усиление велико, то Введение отрицательной обратной связи стабилизирует не только усилительно, но источник сигнала - детектор

Ядерная электроника. Лекция№3 5/20

Ёмкость Сос должна иметь высокую стабильность и малую зависимость от температуры. Часто параллельно Сос подключают Rос, которое обеспечивает обратную связь по постоянному току и фактически определяет сопротивление детектора Rд, поэтому τвх=RосCос.

Ядерная электроника. Лекция№3 6/20

Предусилитель с зарядовой обратной связью.

Принципиальная схема построенная на базе каскада полевого и нескольких биполярных транзисторов.

Ядерная электроника. Лекция№3 7/20

ЗЧУ для детекторов большой ёмкости.

С детекторами относительно большой ёмкости (100 – 1000 пФ) для обеспечения должного быстродействия применяют небольшое сопротивление нагрузки, которое является источником тепловых шумов. В таких случаях используют ЗЧУ, у которого входное сопротивление стабилизируется с помощью последовательной отрицательной обратной связи.

Ядерная электроника. Лекция№3 8/20

ЗЧУ с последовательной ООС

Свх = Сд + С`вх , Cос << C , С – паразитная ёмкость Входная проводимость: где первое слагаемое – это холодное сопротивление: Rc – сопротивление резистора при комнатной температуре.

Стабильность Rc определяется крутизной S входного транзистора. Регулирование можно производить с помощью Сос.

Упрощенная схема ЗЧУ

Ядерная электроника. Лекция№3 9/20

В данной схеме применяется две цепи ОС: параллельная Сос и последовательная R1,R2.

Холодное сопротивление: На низких частотах фактически является входным сопротивление детектора, имеет хорошую стабильность и регулируется с помощью Сос и С.

Ядерная электроника. Лекция№3 10/20

Шумы и фильтрация сигналов

При усилении слабых сигналов детекторов трудности вызывают шумы – случайные флуктуации напряжения, возникающие одновременно с исследуемым сигналом. По происхождению шумы делятся: - помехи (наводки) флуктуации эл. Заряда в транзисторах и деталях. Для удобства шумы оценивают относительно входа усилителя:

Ядерная электроника. Лекция№3 11/20

Контурные (тепловые) шумы.

Флуктуации напряжения на зажимах резистора, вызванные тепловыми движениями свободных электронов. Тепловые шумы содержат весь спектр от 0 до ∞. Среднеквадратичное значение шумов:

Формула Найквиста

Спектральная плотность – распределение энергии по частотному спектру:

Ядерная электроника. Лекция№3 12/20

Контурные шумы

В реальной схеме кроме сопротивления нагрузки Rн имеется ёмкость Свх, активная составляющая входной цепи:

С увеличением сопротивления нагрузки шумы растут и достигают максимума при:

В случаях, когда входное сопротивление должно быть большим, его следует брать 107-108 Ом во избежание повышения шумов

Ядерная электроника. Лекция№3 13/20

Шумы входного тока активного элемента

Цепь управляющего электрода активного элемента (транзистора или лампы) является источником шумов, вызванных флуктуациями входного тока iвх.

Формула Шоттки

Для комплексного входного сопротивления RнCвх шумы напряжения имеют спектральную плотность:

Ядерная электроника. Лекция№3 14/20

Шумы выходного тока активного элемента (дробовый шум)

Флуктуации канального тока полевого транзистора. Спектральная плотность:

F – коэффициент сглаживания. Дробовый шум удобно приводить к входу схемы и рассматривать как флуктуации выходного напряжения. Для полевого транзистора:

Контурные шумы и дробовые равномерно распределены по спектру (белый шум).

Ядерная электроника. Лекция№3 15/20

Фликкер шум

У активных элементов также имеется неравномерный фликкер-шум со спектральной плотностью:

В линейных импульсных усилителях, имеющих полосу пропускания в области высоких частот, составляющая фликкер-шумов невелика и ею можно пренебречь.

Ядерная электроника. Лекция№3 16/20

Эквивалентная схема входа с источником шумов

Для оценки влияния шумов, источник шума заменяют активным сопротивлением, генерирующим тепловые шумы. Контурные и входной шумы заменяют на эквивалентным Rp.

Дробовый шум эквивалентен активному сопротивлению На схеме три источника шума заменены на генераторы белого шума:

Ядерная электроника. Лекция№3 17/20

Эквивалентный шумовой заряд и фильтрация простейшими CR-RC цепями

При измерении амплитуды стремятся к максимуму соотношения сигнал/шум. При анализе заряда с детектора удобно шум заменять эквивалентным шумовым зарядом: .

Выбрав равные τд= τи= τ найдём шумы теплового и входного тока.

Тепловые и входной шумы

Дробовый шум

Ядерная электроника. Лекция№3 18/20

В эквивалентной схеме Rp и Rs имеют разную зависимость от параметров CR-RC цепи, оптимальное соотношение сигнал/шум достигается при:

После дифференцирования по τ, находим минимум при: И минимальный шумовой заряд:

Ядерная электроника. Лекция№3 19/20

Экспериментальное определение уровня шумов

Методика для таких измерений не должна нарушать нормальную работу детектора, от которого поступает исследуемый сигнал.

Для измерения в единицах заряда, нужен импульсный генератор.

По осциллограмме измеряют отношение выходного сигнал/шум Uш.вых/Uвых

Шумовой заряд