Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

(2.16), на частоте «о спектральные плотности последовательного- и параллельного источников шума равны. Величины То и соо

но рассматривать как случайную последовательность коротких импульсов тока, имеющих форму 6 -функции, а е2ш — как гене­

ратор случайной последовательности биполярных импульсов то­ ка (производной 5-функцни) [49].

Более подробно это представление рассмотрено в § 2.7 при анализе характеристик фильтров с переменными временными параметрами.

Так как энергетическое разрешение спектрометра зависит от коэффициента вариации измеряемого сигнала, то функция формирующей системы (усилителя) сводится к максимализа­ ции отношения спгнал/шум. Можно показать [50], что извест­ ные в настоящее время статистические критерии эквивалентны вычислению отношения •\]2=W,./WIU, где \VC, Wlu— энергии сиг­ нала и шума соответственно, измеренные за время t„ (опреде­

|Я1 (H I

w m (со)

Для шума со спектральной плотностью (2.16)

88

Выходной

сигнал

Рис. 2.10. Система линейных фильтров, обеспечивающих оптимизацию отношения сигнал/шум.

•Форма выходного сигнала, описываемого функцией (2.22), близ­ ка к треугольной. Такие фильтры технически довольно сложны (практически проще реализовать треугольный входной сигнал) и обладают одним существенным недостатком: они являются «оптимальными» в том случае, если форма сигнала детектора

•близка к 5-фуикции. Отсутствие плоской вершины у выходного сигнала приводит к тому, что дисперсия выходного сигнала увеличивается за счет дисперсии времени нарастания токового импульса детектора, в результате чего ухудшается энергетиче­ ское разрешение. Более подробно этот вопрос рассмотрен в § 2.8.

§ 2.5. ФИЛЬТРЫ С ПОСТОЯННЫМИ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Сигнал ППД, прежде чем он поступает на систему накопле­ ния и обработки информации, проходит через ряд устройств — предусилитель, формирующий усилитель, восстановитель посто­ янной составляющей и т. п. Линейный преобразователь (см. рис. 2 .1 ) состоит из предусилителя и основного формирующего усилителя. Во всех промышленных спектрометрах и во многих лабораторных моделях предусилитель преобразует «быстрый» сигнал детектора в импульс напряжения экспоненциальной фор­ мы и усиливает его до уровня, необходимого для неискаженной передачи к основным узлам, осуществляющим дальнейшее пре­ образование. Формирующий усилитель служит важным звеном по всей системе, так как его характеристики определяют воз­ можное отношение сигнал/шум, искажение информации за счет эффекта наложений, температурную нестабильность и т. п. Сле­ довательно, при выборе схемы формирующего усилителя не­ обходимо: 1 ) обеспечить получение энергетического разрешения, определяемого параметрами предшествующих устройств (блок детектирования, предусилитель); 2 ) усилить сигнал до уровня и придать ему форму, необходимую для работы последующих устройств; 3) уменьшить возможность искажений аппаратурно­ го спектра, обусловленную эффектом наложений.

Эти требования часто противоречивы, и в ряде случаев при­ ходится искать оптимальное решение и идти на некоторое ухуд­ шение одних характеристик за счет улучшения других. Послед­ ние достижения в области усилительной техники — разработка операционных усилителей с входным дрейфом от 2 до 10 мкВ/°С, «компенсация полюса нулем» в С/?-переходных це­ почках, создание усилителей с непосредственными связями [29, 53, 5 4 ] — позволяют преодолеть трудности, обусловленные ам­

91

плитудной перегрузкой и нелинейностью усилителей. Однакофильтры, используемые в формирующем усилителе, являются тем критическим звеном, которое характеризует отношение сигнал/шум и возможность работы при высоких скоростях счета.

Формирующие устройства на линиях задержки. Этот тип формирования наиболее выгоден для уменьшения последующих наложений на главную часть импульса, но он может приво­ дить к существенным ухудшениям характеристик фильтра при наложении на выброс обратной полярности. Причина этого вы­ броса — несовершенство согласования прямого и задержанного' сигналов, изменение входного импеданса усилительных секций и т. и. Образующийся выброс спадает к нулевой линии с по­ стоянной времени, равной постоянной спада вершины входного импульса, которую выбирают намного больше времени задерж­ ки линии !3.

Второй недостаток такого формирования — низкое отноше­ ние сигиал/шум. Его можно увеличить, введя последующее ин­ тегрирование, однако при этом увеличивается длительность им­ пульса и ухудшается характеристика фильтра за счет роста эффекта наложений. Наплучшее отношение сигиал/шум получа­ ется при постоянной времени интегрирования Тц->-оо (/<п.ш равен 1,075 при однополярной и 1,52 при биполярной форме выход­ ного сигнала). Недостатки такого фильтра: во-первых, отсут­ ствие плоской вершины у выходного импульса и, во-вторых, уменьшение амплитуды сигнала при т„—*оо. Поэтому в промыш­ ленных устройствах постоянную интегрирования т„ выбирают того же порядка или меньше, чем t3. Трудности, связанные с настройкой фильтров, приводят к тому, что формирующий уси­ литель может быть настроен только па одну-две постоянные дифференцирования /3, причем потери в линии и искажения формы сигнала ограничивают величину t:i временем 1 — 2 мне.

Поэтому наибольшее распространение в промышленных уси­ лителях, а также в лабораторных спектрометрах получили 7?С-фильтры. Из-за своей простоты, компактности, низкой стои­ мости, удобства перехода от одной постоянной времени к дру­ гой их характеристики целесообразно рассмотреть подробнее.

Формирующие устройства с У?С-фильтрами. На рис. 2.11 показана эквивалентная схема 7?С-фильтров, имеющих одинако­ вую постоянную времени т. В каждое звено фильтра включен линейный повторитель, имеющий выходное сопротивление мно­ го меньше входного последующего звена и единичный коэффи­ циент усиления по напряжению.

92