Усилители. Классификация и основные характеристики усилителей, страница 10

Обычно предусилитель имеет два выхода: Е - выход предназначается для подключения спектрометра или других амплитудных усилителей, Т-выход - для временных измерений. Пример развязки выходов показан на рис. 3.46.

Для проверки работоспособности системы и грубой энергетической калибровки многие зарядо-чувствительные предусилители снабжаются так называемым входом тестового импульса (рис. 3.47). Тестовый вход соединяется с выходом генератора через конденсатор С_т очень маленькой емкости (например, С_т = 1 пФ). Эта емкость полностью перезаряжается фронтом испытательного импульса. При этом интегратор получает заряд
Q = C_т U, где U - амплитуда напряжения импульса.

3арядо-чувствительные предусилители используют не только при работе с ППД, но и с ФЭУ. В этом случае отрицательное напряжение от высоковольтного источника питания подается на фотокатод ФЭУ, а вход зарядо-чувствительного предусилителя подсоединяется непосредственно к аноду ФЭУ.

3.16. Усилитель-формирователь

3.16.1. Требования, предъявляемые к спектрометрическим

усилителям

Основной усилитель в ядерной электронике выполняет следующие функции:

- дальнейшее усиление импульсов до максимальной амплитуды 10 В, при этом допустима определенная обработка импульсов;

- улучшение отношения сигнал/шум;

- формирование импулъсов.

Основной усилитель строится из каскадов со связями по переменному току (RС-каскад). Могут быть использованы каскады из дискретных элементов и интегральные операционные усилители. Для спектрометрического применения усилитель должен отвечать целому ряду специфических требований.

Коэффициент усиления напряжения должен регулироваться в широких пределах от 1 до 10⁴, чтобы прибор можно было использовать с различными детекторами и в различных областях энергий. В старых простых приборах усиление устанавливается на максимальное значение, а регулировка коэффициента передачи осуществляется ступенчато с помощью входного аттенюатора. Таким образом исключается перегрузка последующих каскадов. Недостаток этой схемы состоит в том, что большие сигналы сначала ослабляются, потом усиливаются, а это ведет к ухудшению отношения сигнал/шум. В современных схемах используются операционные усилители со ступенчатым изменением коэффициента обратной связи. Входной каскад усилителя должен быть в любом случае малошумящим, чтобы при больших коэффициентах усиления не ухудшить энергетическое разрешение. Также должны быть сведены к минимуму и помехи на входе усилителя.

Очень высокие требования предъявляются к линейности и долговременной стабильности усиления. Чтобы обеспечить разрешение наилучших АЦП в диапазоне 8…16 К, требуются линейность и стабильность расположенных перед ними усилителей лучше 10^-4, а температурная зависимость ~10^-5К^-1. Поэтому усилители в спектрометрах высокого разрешения должны эксплуатироваться при постоянных температурных условиях, а измерения проводиться только после длительного времени установления.

Полоса пропускания усилителя должна быть достаточно широкой, чтобы все важные частотные составляющие входного сигнала могли передаваться на выход. Для оптимизации отношения сигнал/шум полоса пропускания должна быть регулируемой. Это условие выполняется с помощью схем формирования импульсов.

Каскады усиления должны иметь большой динамический диапазон и вести себя "разумно" при перегрузке: блокировка усиления после перегрузки  должна быть по возможности кратковременной, а нулевой уровень в таких случаях не должен сдвигаться надолго.

Весьма важно требование на независимость коэффициента усиления от высоких и сильно меняющихся скоростей счета. Удовлетворение этого требования достигается формированием импульсов и применением специальных схем.

3.16.2. Формирование импульсов RC-цепочками

Выходной сигнал предусилителя – напряжение ступенчато нарастающей формы (рис. 3.43,а), расстояние между ступеньками носит статистический характер. Информация об энергии частиц (квантов) содержится в перепадах напряжения, поэтому первая стадия обработки такого сигнала состоят в дифференцировании (рис. 3.48,а,б). Постоянная времени дифференцирования t_Д должна быть тем меньше, чем больше скорость счета, чтобы при большой загрузке избежать наложения импульсов, на спады (задние фронты) предыдущих сигналов. Однако снизу постоянная времени ограничивается временем собирания зарядов в детекторе. Продифференцированный выходной сигнал предусилителя (рис. 3.48,б) усиливается первым каскадом основного усилителя (рис. 3.49), после чего интегрируется и еще раз дифференцируется (рис. 3.48,в,г), а затем усиливается вторым каскадом основного усилителя (рис. 3.49). Дифференцирующие и интегрирующая цепочки улучшают отношение сигнал/шум. Оптимальное отношение сигнал/шум достигается, если постоянные времени дифференцирования и интегрирования имеют равные значения, при этом частотная характеристика канала имеет приблизительно симметричную форму. Постоянные времени t_Д и t_И лежат в пределах 0,1-100 мкс и зависят прежде всего от предельных загрузок.

При малых загрузках дальнейшее интегрирование позволяет еще более улучшить отношение сигнал/шум и тем самым повысить энергетическое разрешение. В настоящее время высококачественные цепи подавления низкочастотных шумов выполняются чаще всего в виде активных фильтров нижних частот.

3.16.3. Восстановление нулевой линии

При передаче через дифференцирующие RС-цепи однополярных импульсов смещение нулевой линии зависит от загрузки (рис.3.50). Для устранения этой зависимости применяют схемы восстановления нулевого уровня (схемы стабилизации нулевой линии). В усилителях на электронных лампах обычно применялись диодные схемы привязки нулевого уровня. В полупроводниковых усилителях напряжения сигналов значительно ниже, поэтому применение диодных схем вызывает значительные нелинейные искажения.

В современной ядерной электронике используются активные схемы восстановления нулевого уровня (рис. 3.51).