Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Изменить расположение полюсов передаточной функции можно, включив параллельно конденсатору С | резистор RK, ве­ личина которого, как будет показано ниже, довольно велика, так что доля постоянно составляющей R\ f(Ri+RK), передавае­ мая на вход выходной секции, незначительна. При этом переда­ точная функция Н (s) становится равной

стоянной составляющей, передаваемой через резистор Rl;, со­ ставляет несколько процентов. Дополнительной регулировкой режимов элементов выходной секции можно установить потен­ циал на выходе предусилителя вблизи нулевого уровня.

Рассмотренные схемные решения — общие для предусилите­ лей, используемых при спектрометрии ионизирующих излучений с помощью ППД. В результате интенсивных исследований, на­ правленных на снижение уровня собственного шума, повышение загрузочной способности, уменьшение зависимости входного шума и коэффициента усиления от полной входной емкости, предложены различные варианты входных секций, на которых целесообразно остановиться подробнее.

Предусилители с резистором в цепи обратной связи. Этот тип предусилителя (рис. 2.3, а) наиболее распространен, так как позволяет осуществлять стабилизацию усиления и режима за счет обратной связи через С/ и Rf соответственно. В боль­

повторитель Уайта, либо эмиттерный повторитель на составных транзисторах. Следящая обратная связь С,- увеличивает значе­ ние коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью до значения Ko^SRg при R ^ R пых, где Rg — динамическая нагруз­ ка каскодион пары; 5 — крутизна вольт-амперной характери­ стики полевого транзистора; /?э — нагрузка в цепи эмиттера Г2;

70

ли или единицы миллисекунд. В некоторых схемах резистор Rf подключен не к выходу зарядочувствительной секции, а непо­ средственно на корпус, что приводит к значительному увеличе­ нию постоянной времени входной цепи. Такое включение в боль­ шинстве случаев не дает каких-либо преимуществ, так как, вопервых, размыкается цепь обратной связи по постоянному току и, во-вторых, резко увеличивается вероятность наложений им­ пульсов.

Несколько иная схема первой секции предусилителя, выпол­ ненная исключительно на полевых транзисторах, описана в ра­ боте [14]. При небольшом уровне шума эта схема требует до­ статочно «деликатного» обращения, так как использование источника напряжения +100 В для питания головного каскада может привести к пробою первых двух транзисторов*

Предусилители без резистора обратной связи. Резистор R/ не является необходимым элементом головного каскада и принципиально можно реализовать схему, состоящую только из ППД и полевого транзистора. Так как через R,- осуществляется подача оптимального потенциала на затвор полевого транзи­ стора, а токи, идущие через R,, изменяются со временем, то основная проблема — в обеспечении достаточно длительной ста­ бильности первой секции предусилителя.

В первых вариантах [15] эту задачу решали, тщательно от­ бирая ППД и полевой транзистор, но это малопроизводительная процедура, так как обратный ток ППД, как правило, превышает ток затвора полевого транзистора. Еще большие трудности свя­ заны с изменением ионного тока детектора, зависящего от энер­ гии, расходуемой в детекторе в единицу времени на образова­ ние дырок и электронов. Более совершенная схема, предложен­

рис. 2.3,6). В такой схеме достигается почти полная нейтрали­ зация межэлектродных емкостей за счет применения следящей

Используя генерацию пар носителей заряда в области за­ твор — сток полевого транзистора, можно замкнуть цепь об­ ратной связи и обеспечить нейтрализацию заряда, поступающего во входную цепь. В результате применения такой схемы в рабо­ те [13] уровень собственного шума был снижен до A£Si= = 82 эВ.

72

Предусилитель с пассивными входными элементами. Этот тип предусилителя, основанный на принципе параметрического усиления, был впервые предложен авторами работы [17]. Вход­ ная часть схемы — резонансный контур с собственной резонанс­

держивает в контуре незатухающие колебания, а цепь обрат­ ной связи CjRf обеспечивает стабильность амплитуды колеба­ ний. Заряд, возникающий в ППД, изменяет емкость перехода диодов Д ь Дг и приводит к кратковременному отклонению соб­ ственной частоты колебаний контура от резонансной сор. Это со­ провождается уменьшением амплитуды высокочастотных коле­ баний. На выходе системы после усиления и детектирования возникает импульс с амплитудой, пропорциональной заряду, об­ разованному в ППД. Схема параметрического усиления имела уровень собственных шумов A£Si=0,64 кэВ при температуре 77 К. Дальнейшее снижение шума, по-видимому, трудно осуще­ ствить из-за диэлектрических потерь в элементах входной цепи и ряда других причин, связанных с особенностью параметриче­ ского усиления [18]. Кроме того, описанная схема достаточно сложна в изготовлении и настройке и не нашла широкого при­ менения, тем более что значительно лучшие результаты были вскоре получены с зарядочувствительиыми предусилителями на полевых транзисторах.

Предусилители с электроннооптической обратной связью. Впервые схема такого предусилителя, обеспечивающего высо­ кое энергетическое разрешение, была опубликована в работе [19]. Основное отличие ее — в способе подачи отрицательной обратной связи на вход полевого транзистора (см. рис. 2.3, г), которая осуществляется светодиодом Д2 из As—Ga, включен­ ного последовательно с резистором R. Если напряжение на вы­ ходе зарядочувствнтельной секции равно Двых, то ток диода 1%—Uпых/R обусловливает световой поток, часть которого попа­ дает на светочувствительную область затвор — канал Ти При этом в цепи затвора генерируется ток, пропорциональный току h'-

/ 3 = ф/ 2 = ФUBhj R .

Если коэффициент связи Ф выбрать равным примерно 10~10, а

— 100 Ом, то h = UbuJ R / , где R / = R / Ф, что эквивалентно на­ личию в цепи затвора резистора обратной связи с сопротивле­ нием R / около 1012 Ом. Однако в отличие от обычных высоко­ омных угольных резисторов эквивалентное сопротивление R / не связано с дополнительными источниками шумов, обусловленных флуктуациями проводящего слоя, зависимостью активной части импеданса от частоты, паразитной емкости и т. п. Такая схема позволила уменьшить собственный уровень шума предусилителя

73