Импульсный усилитель

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВтО СКОМЮ CSHQETRJIbCTBY

Союз Советскик

Социалистических

Республик н>790191 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 31.01.79 (21) 2723833/18-21 с присоединением заявки Но (23) Приоритет—

Опубликовано 231280. Бюллетень HP 47

Дата опубликования описания 23.12.80 (53)М К 3

Н 03 К 5/02

Государственный комитет

СССР ио делаи изобретений н открытий (53) УДК 621.374 ° (088 ° 8) (72) Авторы изобретения

A. И. Коссе, В. П. Гиманов, О. В. Игнатьев, Н. Ф. Школа и Б. С. Новисов (71) Заявитель

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова (54) ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к ядерной импульсной технике и предназначено для использования в прецизионных спектрометрах рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами. 5

Известен импульсный усилитель с непрерывной резистивной обратной связью, содержащий инвертирующий операционный усилитель, выход которого соединен со входом через параллель- 10 но включенные резистор обратной связи и конденсатор обратной связи. Назначение резистора — обеспечить путь разряда конденсатора. Недостатки этого усилителя заключаются в том, что 15 высокоомные резисторы изменяют непредвиденным образом свои свойства при низких температурах, сопротивление высокоомного резистора имеет комплексный характер и на частоте 20

" 100 кГц уменьшается на порядок, увеличивая тем самым уровень теплового шума. Кроме того высокоомные резисторы являются источником шума, что связано с механизмом проводимости в 25 высокоомных пленках и одним своим присутствием увеличивают емкость затвора на землю, а это, в свою очередь, увеличивает последовательный шум(() 30

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является импульсный усилитель с обратной связью, содержащий полевой транзистор, к затвору которого подключен полупроводниковый детектор, неинвертирующий усилитель, вход которого со. единен со стоком полевого транзистора, между затвором полевого транзистора и выходом усилителя включен конденсатор обратной связи, полевой транзистор, усилитель и конденсатор обратной связи образуют обычный зарядочувствительный предусилитель.

Цепь импульсной обратной связи содержит последовательно включенные цвухпороговую схему (например триггер

Шмидта) и расширитель иветульсов, причем вход двухпороговой схемы соединен с выходом неинвертирующего усилителя, а выход расширителя — со стоком полевого транзистора через обратно смещенный диод (2), Недостаток устройства состоит в сложности его настройки в условиях серийного производства.

Цель изобретения — упрощение настройки.

790191

1О

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный усилитель, содержащий последовательно включенные детектор, полевой транзистор, ограничитель, операционный усилитель и пороговый элемент, а также конденсатор, подключенный между затвором полевого транзистора и выходом операционного усилителя, введен генератор серии импульсов,. вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход — co стоком полевого транзистора.

На чертеже представлена структурная схема импульсного усилителя. устройство содержит детектор 1, полевой транзистор 2, ограничитель 3, включенный между стбком полевого транзистора 2 и входом операционного усилителя 4, конденсатор 5 обратной связи, включенный между затвором полевого транзистора 2 и выходом операционного усилителя 4, пороговый элемент 6 (триггер Шмидта), включенный между выходом операционного усилителя 4, который является выходом усилителя и входом генератора 7 серии, выход которого соединен со стоком полевого транзистора 2, а вход — с выходом порогового элемента 6.

Устройство работает следующим образом.

Детектор 1, конвертирующий энергию квантов излучения в пропорциональный энергии заряд токовых сигналов, смещен источником напряжения в обратном направлении. Головным элементом усилителя является полевой транзистор 2. Ток затвора полевого .транзистора в стационарном состоянии меньше обратного тока детектора. Через полевой транзистор протекает режимный ток, напряжение на стоке полевого транзистора меньше напряжения, при котором возникает ударная ионизация, вызывающая ток затвора.

Величины тока полевого транзистора и напряжение на стоке устанавливаются оптимальными с точки зрения минимума шумового вклада, вносимого полевым транзистором. Сток полевого транзистора соединен с ограничителем 3, а выход ограничителя 3 соединен с.неинвертирующим входом операционного усилителя 4, при этом сток полевого транзистора и вход операционного усилителя соединяются гальванически. Ограничитель 3 предназначен для отключения операционного усилителя 4 от стока полевого транзистора 2 в режиме восстановления заряда на конденсаторе 5 при замыкании петли стоковой обратной связи. Ограничитель 3 так же фиксирует потенциал на входе операционного усилителя 4 .для стабилизации его режима с целью уменьшения времени восстановления последнего после отключения петли стоковой обратной связи. Операционный усилитель

4 обеспечивает необходимое петлевое усиление. Конденсатор 5 обратной связи, включенный между выходом операционного усилителя 4 и точкой соединения детектора 1 и затвора полевого транзистора 2, определяет эарядочувствительность усилителя. На нем осуществляется преобразование заряда, поступившего с детектора 1 при регистрации кванта в импульс напряжения. Импульсы напряжения снимаются с выхода операционного усилителя 4. К выходу операционного усилителя 4 подключен пороговый элемент

6 (триггер Шмидта), величины верхнего и нижнего порогов которого определяют границы динамического диапазона выходных сигналов импульсного усилителя. Пороговый элемент 6 управляет генератором 7 серии импульсов, которые подаются в сток, полевого транзистора 2 при замыкании петли стоковой обратной связи. Параметры серии импульсов - амплитуда, длительность, частота — определяют режим полевого транзистора 2 в процессе восстановления заряда на его входе

2 и могут быть оптимизированы с целью уменьшения длительности процесса восстановления. Под действием индуцированного излучения заряда с детектора 1, а также заряда, накапливае3Q мого на конденсаторе 5 обратной связи под действием разностного тока на.входе полевого транзистора, напряжение на выходе усилителя 4 смещается в сторону положительного потенЗ5 циала. При достижении верхнего пороra порогового элемента 6 последний срабатывает и запускает генератор 7 серий. Тем самым замыкается петля импульсной стоковой обратной связи и в сток с выхода генератора 7 серии поступает импульс н..пряжения. Одновременно данный импульс напряжения переводит ограничитель 3 в режим фиксирования потенциала на входе .операционного усилителя 4, при этом

45 гальваническая связь стока полевого транзистора 2 и входа операционного усилителя 4 разрывается. На выходе операционного усилителя 4 устанавливается максимальный потенциал. Имgp пульсное увеличение напряжения на стоке вызывает ударную ионизацию и рост тока затвора. Возросшим током затвора компенсируется часть заряда на конденсаторе 5 обратной связи, который накопился эа рабочий цикл предусилителя. В следующий момент времени импульс с генератора 7 серии заканчивается, ограничитель 3 замыкает гальванический сток полевого транзистора 2 и вход операционного усилителя 4, тем самым восстанавливается режим полевого транзистора 2 и операционного усилителя 4, соответствующий рабочему циклу. На выходе усилителя 4 устанавливается напряжение, обусловленное нескомпенси7901 91

Рованным зарядом на емкости обратной связи после подачи первого импульса в сток полевого транзистора 2.

Это напряжение превышает нижний чорог срабатывания порогового элемента б, и последний не изменяет своего состояния. Затем в момент времени, определяемый установленной частотой разрядной серии, с генератора 7 серии в сток подается следующий им-. пульс, и цикл компенсации заряда на емкости обратной связи повторяется.

Порционное уменьшение заряда на конденсаторе 5 обратной связи за интервал длительности разрядного импульса вызывает уменьшение напряжения на выходе предусилителя в течение времени 15 паузы. При этом пороговый элемент б не изменяет своего состояния. В момент времени после окончания очередного разрядного импульса напряжение на выходе операционного усилителя 4 20 становится меньше нижнего порога порогового элемента 6. Пороговый элемент б переходит в исходное состояние и блокирует запуск генератора 7 серии.

Цикл восстановления заряда на конденсаторе 5 обратной связи до величины, соответствующей нижней границе динамического диапазона выходных сигналов, заканчивается и начинается очередной рабочий цикл импульсного усилителя.

Поскольку порции заряда, вносимого в процессе восстановления в конденсатор 5 обратной связи при импульс- ном замыкании стоковой обратной связи малы (определяется напряжением на стоке во временном интервале дейст- 35 вия импульса генератора 7 серии и его длительностью), то нижняя граница динамического диапазона выходных сигналов усилителя определяется нижним уровнем порогового элемента б 40 (с точностью до величины изменения напряжения на конденсаторе 5, соответствующего порционному заряду).

Малая длительность разрядных импульсов генератора сеРии пРактически ис- 45 ключает изменение заряда на конденсаторе 5 обратной связи при поступлении токовых импульсов от детектора 1, индуцированных излучением. Тем самым исключается влияние интенсивности и энергии детектируемого ионизирующего излучения на величину нижней границы динамического диапазона.

Поскольку границы временного интервала цикла восстановления определяются моментами пересечения вы<одным напряжением усилителя 4 верхнего и нижнего уровней порогового элемента 6, то необходимое число разрядных импульсов определяется их длительностью и частотой серии. Ошибка в установлении необходимого временного интервала восстановления заряда на конденсаторе 5 не превышает длительности одного разрядного импульса, которая может быть выбрана достаточно малой. Отсюда следует, что при оптимизации процесса восстановления усилителя необходимо подбирать только амплитуду разрядных импульсов, необходимое число которых устанавливается автоматически.

Таким образом, порционное восстановление заряда на конденсаторе 5 обратной связи, которое реализуется подачей серии разрядных импульсов в сток полевого транзистора 2 в режиме восстановления усилителя, позволяет в процессе настройки оптимизировать только амплитуду разрядного импульса, оптимальная длительность серии импульсов устанавливается автоматически. Относительная доля длительности времени восстановления усилителя в цлительности полного цикла поддерживается необходимо-минимальной, что обеспечивает высокие загрузочные характеристики усилителя. Компенсация заряда, поступившего от детектора в цикле восстановления усилителя, осуществляется автоматически увеличением числа разрядных импульсов.

Формула изобретения

Импульсный усилитель, содержащий последовательно включенные детектор, полевой транзистор, ограничитель, операционный усилитель и пороговый элемент, а также конденсатор, подключенный между затвором полевого транзистора и выходом операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью упрощения настройки, в него введен генератор серии

Импульсов, вход которого соединен и выходом порогового элемента, а выход — со стоком полевого транзистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Nucl. Instrum and Meth. vol.71, 1969, р. 273-279.

2. ПТЭ, Р 1, 1978, с.93-96.

790191

Составитель Л. Колосков

Редактор О. Малец Техред М.Табакович Корректор-Л. Иван

Заказ 9063/бО Тираж 995 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4