Зарядочувствительный предусилитель



Зарядочувствительный предусилитель
Зарядочувствительный предусилитель
Зарядочувствительный предусилитель

 


Владельцы патента RU 2526756:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)

Изобретение относится к области электроники, а именно к предварительным усилителям для съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений при использовании длинной кабельной линии в схемах амплитудной спектрометрии и для регистрации ядерных излучений. Техническим результатом является увеличение динамической емкости предусилителя. Устройство содержит входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, причем в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включают каскодно-дифференциально так, что сток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, исток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора, и коллекторы этих транзисторов подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирают из условия минимизации входного шума. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электроники, а именно к предварительным усилителям для съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений при использовании длинной кабельной линии в схемах амплитудной спектрометрии для регистрации ядерных излучений, например, для регистрации спектров быстрых нейтронов в экспериментальных исследованиях и на объектах ядерной энергетики.

Известен усилитель заряда, содержащий входной полевой транзистор (ПТ), включенный по каскодной схеме с общим стоком, где в качестве второго усилительного элемента используется биполярный транзистор и основной усилитель, выполненный на базе, например, операционного усилителя, охваченный отрицательной емкостной обратной связью [1]. Недостатками этого усилителя являются возможность использования только для конкретной задачи и невысокие эксплуатационные характеристики.

Известен предусилитель для полупроводниковых детекторов большой емкости, содержащий входной полевой транзистор с высокой крутизной, включенный по схеме с общим истоком, второй усилительный элемент выполнен в виде дифкаскада на биполярных транзисторах и основной усилитель, выполненный на дискретных элементах [2]. Недостатками этого предусилителя являются возможность использования только для конкретной задачи и невысокие эксплуатационные характеристики.

Известен специальный зарядочувствительный предусилитель с резистивной обратной связью, содержащий входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью [3]. Недостатками этого устройства являются высокий уровень собственных шумов предусилителя, низкая динамическая емкость (динамическая емкость - это произведение значения емкости обратной связи на коэффициент усиления собственно усилителя с высоким входным сопротивлением на частоте переднего фронта измеряемого сигнала), большой угол наклона шумовой характеристики (наклон шумовой характеристики - зависимость шума усилителя заряда от значения емкости на его входе), что делает невозможным его использование для работы с детектором ионизирующих излучений, вынесенным на длинной (~30 м) кабельной линии от основной регистрирующей аппаратуры, например в токамаке ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор) в камере ВНК (вертикальная нейтронная камера), где зарядочувствительный предусилитель должен быть установлен для работы в составе спектрометра быстрых нейтронов.

Техническим результатом данного изобретения является снижение входных шумов и увеличение динамической емкости всего предусилителя.

Для достижения указанного технического результата в известном зарядочувствительном предусилителе, содержащем входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, предложено в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включить каскодно-дифференциально так, чтобы сток входного полевого транзистора был подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, а исток входного полевого транзистора был подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора и коллекторы этих транзисторов были подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирать из условия минимизации входного шума.

На рис.1 представлена структурная схема зарядочувствительного предусилителя (ЗЧПУ), на рис.2 - пример амплитудно-частотной характеристики усилителя, на базе которого выполняется предлагаемый ЗЧПУ и прототипа, на рис.3 - график значений наклона шумовой характеристики предлагаемого ЗЧПУ и ЗЧПУ - прототипа при Cos=0,5 пкФ.

Зарядочувствительный предусилитель (рис.1) содержит входной каскад, выполненный на транзисторах VT1, VT2, VT3, резисторы R1, R2, каскад основного усиления, выполненный на широкополосном операционном усилителе DA1, и цепи обратной связи, состоящей из резистора Ros и зярядочувствительного конденсатора Cos. При этом эмиттер транзистора рnр-типа VT2 подключен к стоку транзистора n-типа VT1, а эмиттер транзистора pnp-типа VT3 подключен к истоку транзистора n-типа VT1. Коллектор VT2 подключен через резистор R2 к шине питания, а коллектор VT3 подключен к шине питания через резистор R1.

В качестве транзистора VT1 можно использовать транзисторы КПЗ 03, КП307 или BF862. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать транзисторы KT3169 или BCW61, в качестве операционного усилителя DA1 возможно использовать широкополосные усилители AD8014, AD8041 или ОРА847.

Входной полевой транзистор VT1 зарядочувствительного предусилителя включен по каскодной схеме дифференциально. Два дополнительных усилительных элемента VT2 и VT3, выполненных на основе биполярных транзисторов, подключены как к стоку, так и к истоку входного полевого транзистора VT1. То есть эмиттер первого биполярного транзистора VT2 подключен к стоку входного полевого транзистора VT1, а эмиттер второго биполярного транзистора VT3 подключен к истоку входного полевого транзистора VT1, на базы VT2 и VT3 подается необходимое напряжение смещения. К коллекторам VT2 и VT3 подключены резисторы R2 и R1, выбранные их условий оптимизации сложения шума в канале VT1, которое осуществляется в основном усилителе DA1, выполненном на основе операционного усилителя таким образом, что коллектор первого биполярного транзистора VT2 подключен к неинвертирующему входу основного усилителя DA1, а коллектор второго биполярного транзистора VT3 - к инвертирующему входу основного усилителя DA1. Между выходом основного усилителя DA1 и затвором входного полевого транзистора VT1 включена цепь отрицательной обратной связи, состоящая из высокоомного резистора Ros и зарядочувствительного конденсатора Cos.

Работа зарядочувствительного предусилителя осуществляется следующим образом. Значение шума в канале VT1 (Uni) поступает одновременно на эмиттеры транзисторов VT2, VT3 и преобразуется в напряжение на резисторах R1 и R2 по формулам:

Uш с=Uш×β2×S×R2 и Uш и=Uш×β3×R1, где Uш, с - напряжение шума по стоку, Uш, и - напряжение шума по истоку, β - коэффициент усиления по току используемых транзисторов VT2, VT3, S - крутизна полевого транзистора VT1. Выбирая значения резисторов R1 и R2, добиваются минимального значения шума на выходе основного усилителя DA1, стремящегося к значению U ш  вых = ( U ш ,  с 2 U ш ,   и 2 ) 1 / 2 . При этом входной сигнал с амплитудой A0, проходя те же цепи усиления, усиливается по закону Aвых=A, где Aвых - амплитуда выходного сигнала, A - амплитуда сигнала, прошедшего по цепи усиления стока, A - амплитуда сигнала, прошедшего по цепи истока. Вычисление динамической емкости производят по формуле: Сдин.=Cos×Ку, где Сдин. - динамическая емкость ЗЧПУ, Cos - емкость зарядочувствительного конденсатора (зарядочувствительная емкость) ЗЧПУ, Ку - коэффициент усиления усилителя, на базе которого выполнен ЗЧПУ с разомкнутой петлей обратной связи на частоте переднего фронта измеряемого сигнала.

Использование входного полевого транзистора (ПТ), VT1 в дифференциально-каскодном включении позволяет:

1) суммировать выходные сигналы с входного ПТ как по стоку, так и по истоку, что приводит к увеличению общего коэффициента усиления (Ку) собственно усилителя, на основе которого выполняется зарядочувствительный усилитель;

2) сделать измеряемый сигнал инверсным по отношению к стоку и неинверсным по отношению к истоку, в то время как собственный шум в канале ПТ неинверсен как по стоку, так и по истоку, что позволяет при подборе нагрузок снизить собственные шумы всего усилителя;

3) получить однополюсную амплитудно-частотную характеристику всего усилителя, что дает возможность достичь очень больших коэффициентов усиления на высоких частотах и обеспечивает высокую устойчивость схемы.

4) снизить эффект Миллера (увеличение эквивалентной емкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).

По сравнению с прототипом зарядочувствительный предусилитель имеет выигрыш по усилению сигнала 2 раза (рис.2) при уменьшении практического значения шума в 2 раза, а динамическую емкость больше в 1000 раз (при Cos=0,5 пкФ значение динамической емкости прототипа составило примерно 500 пкФ, а предложенного ЗЧПУ 0,5 мкФ), и наклоны шумовых характеристик (рис.3) в начале характеристик отличаются в 2 раза, а после значения Свх=300 пкФ - более чем в 10 раз.

Источники информации

1. United States Patent N 4053847, oct. 11, 1977; Inventors Tadashi Kamahara et al.

2. Н.М.Ткач и др. Предусилитель для полупроводниковых детекторов большой емкости, ИЯИ АН УССР, препринт КИЯИ 78-2.

3. United States Patent N 5347231, sep. 13, 1994; Inventors Giuseppe Bertuccio et al.

Зарядочувствительный предусилитель, содержащий входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, отличающийся тем, что в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включают каскодно-дифференциально так, что сток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, исток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора и коллекторы этих транзисторов подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирают из условия минимизации входного шума.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи. Техническим результатом является - увеличение затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0.

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к устройствам усиления мощности. Технический результат: повышение на несколько порядков входного сопротивления ВК и его коэффициента усиления по току при достаточно высоком уровне стабильности сквозного тока выходных транзисторов.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном.

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от уровня сигнала управления канала «Y».

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты единичного усиления f1 основного ОУ на частоту квазирезонанса f0.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например в высокочастотных усилителях, компараторах, преобразователях сигналов и т.п.

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного УНЧ, созданного на основе полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов, аналого-цифровых преобразователях, RC-фильтрах, инструментальных усилителях и т.п.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности содержит неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1). В схему введен корректирующий каскад (7), токовый выход которого (8) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1), между входом устройства (2) и входом (9) корректирующего каскада (7) включен первый (10) дополнительный резистор, а выход устройства (6) связан со входом (9) корректирующего каскада (7) через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель (11) и второй (12) дополнительный резистор. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки содержит источник сигнала, связанный со входом буферного каскада, выход которого подключен к конденсатору цепи нагрузки. Выход буферного каскада соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения и выходом усилителя тока, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения и входом усилителя тока включен корректирующий многополюсник. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей. Техническим результатом является уменьшение искажений, возникающих при усилении сигнала. Устройство содержит первый сумматор, два идентичных нелинейных усилителя мощности, первый вычитатель и второй сумматор, фазовращатель на угол 90°, второй вычитатель, фильтр нижних частот, нелинейный преобразователь, ограничитель, нелинейный преобразователь, перемножитель и пиковый детектор. 1 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией. Достигаемый технический результат - уменьшение искажений, возникающих при усилении сигнала. Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей содержит сумматор, два идентичных нелинейных усилителя мощности, фазовращатель на угол 90°, ограничитель, блок формирования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой (далее - блок формирования), блок преобразования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой во вторую составляющую входного сигнала с постоянной амплитудой (далее - блок преобразования), при этом блок преобразования содержит фазовращатель на угол 90°, перемножитель и смеситель, блок формирования содержит фазовый детектор, пиковый детектор, нелинейный преобразователь, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов по закону арксинуса, и фазовый модулятор. 1 ил.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к ключевым усилителям высокой частоты, и может быть использовано в радиопередатчиках. Технический результат изобретения заключается в улучшении линейности усиления ключевых усилителей мощности за счет существенного снижения уровня гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала. Технический результат достигается за счет ключевого усилителя, в котором высокочастотный сигнал с выхода предварительного усилителя, работающего в режиме усиления класса «А», преобразуется широтно-импульсным модулятором в ряд прямоугольных импульсов, при сложении которых воспроизводится входящий сигнал на новом уровне мощности. Усилитель имеет существенно более низкий уровень гармоник четных порядков по сравнению с известными ключевыми усилителями при сохранении требований также к подавлению гармоник нечетных порядков. 3 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в широкополосных радиопередатчиках. Технический результат заключается в преобразовании энергии высших гармоник в энергию постоянного тока и возвращении этой энергии источнику питания. В усилителе используют мостовую схему сложения мощности вместо балластного резистора электрической цепи, содержащей широкополосное согласующее устройство, двухполупериодный выпрямитель, накопительный конденсатор, дроссель и ограничительный диод, что обеспечивает возвращение части энергии полезного сигнала источнику питания радиопередатчика, повышая его КПД. 1 ил.

Изобретение относится к микросхемам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью содержит первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, причем затвор первого (1) входного полевого транзистора соединен со входом устройства (10), вторую (11) шину источника питания. Сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) и подключен к затвору второго (2) входного полевого транзистора. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к генераторам управляемым напряжением. Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении. В генератор дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания, при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания, при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из определенного выражения. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами. В схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 4 ил.

Изобретение относится к области усилителей аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение значения верхней граничной частоты без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору второго входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения. База первого выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через первый дополнительный резистор, база второго выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через второй дополнительный резистор, база первого выходного транзистора соединена с базой первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго выходного транзистора, база второго выходного транзистора соединена с базой второго дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого выходного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 5 ил.
Наверх