Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 136
Скачиваний: 0
Например, для рассмотренного выше |
случая |
(17,4=10 |
В, /„= |
|||
= 1 |
мкс, п =104 с-1) и постоянной времени t:i= |
50 |
мкс |
отноше |
||
ние |
Ои~/£/м = 1 %, |
что эквивалентно |
ухудшению |
энергетиче |
||
ского разрешения |
на 2,56%- Эта оценка несколько |
завышена, |
||||
так как из-за искажения формы аппаратурной кривой ее полу ширина ДЕ увеличивается меньше, однако и она показывает, что необходимо принимать специальные меры, чтобы умень шить влияние этого фактора.
Рис. 2.15. Структурная схема |
ВПС |
пассивного |
|
типа. |
|
|
|
Очевидно, наиболее простой путь, |
обеспечивающий |
стаби |
|
лизацию постоянной составляющей |
при |
изменении |
скорости |
регистрации и энергетического спектра частиц, заключается в формировании биполярного импульса с равными площадями положительной и отрицательной частей. Такое формирование имеет еще одно преимущество, так как позволяет уменьшить амплитудную перегрузку последующих секций. Однако высокий коэффициент превышения шума (потеря энергетического раз решения составляет 30—40%, см. табл. 2.3) заставляет в боль шинстве случаев отказаться от биполярного формирования.
Метод «компенсации полюса нулем», подробно рассмотрен ный в § 2 .2 , позволяет лишь частично решить рассматривае мую проблему; кроме того, практически трудно обеспечить погрешность компенсации лучше 1 %.
На рис. 2.15 показана схема ВПС пассивного типа, предло женная в работе [59]. В установившемся режиме в отсутствие
входных сигналов каждый из диодов Д\, Д 2 проводит ток |
i. |
Входной импульс любой полярности с амплитудой около 0 , 2 |
В |
или более запирает один из диодов, и емкость восстановителя
Св начинает заряжаться током /. После окончания |
импульса |
Св перезаряжается через сопротивление диодов 2 гд с |
постоян |
ной времени 2гдСп. Средняя величина остаточного потенциала
при условии, что |
2 гдСвЗ> 1 //г ( 1 //г — средний временной интер |
|
вал между двумя |
импульсами), |
определяется соотношением |
Ua = 2(pntJ(\—ntu), |
где ср=25-ь50 |
мВ для полупроводникового |
10.3
р—/i-перехода. Так, для рассмотренного |
выше |
случая |
(tu= |
||
= 1 мкс, /г=104 1/с) и ф = 50 |
мВ величина Uо=1 |
мВ. |
Если |
||
входное сопротивление усилителя У\ достаточно |
велико |
(его |
|||
входной ток незначителен по |
сравнению с i), то до значений |
||||
/г^„=0,1 величина Uo не превышает 5— 10 мВ. |
При больших |
||||
значениях iitn характеристики пассивного |
восстановителя |
резко |
|||
ухудшаются и величина U0 растет. |
|
|
|
|
|
Активные восстановители. |
Схема, показанная |
на |
рис. |
2.15, |
|
была несколько модифицирована в работе [60]. В ней исполь зовался «усиленный диод», включенный между инвертирую щим входом и выходом операционного усилителя. В такой схеме заряд емкости Св восстанавливается постоянным током до уровня Uo/K (Uo— прямое падение напряжения на диоде, К — коэффициент усиления усилителя). При этом сдвиг постоян ной составляющей уменьшается, а время восстановления за ряда конденсатора С„ существенно сокращается.
Несколько другой тип «активного» ВПС предложен в ра боте [61]. В этой схеме перезаряд емкости во время действия выброса обратной полярности форсируется вследствие увеличе
ния тока через |
один из диодов. Практическая |
схема |
такого |
|||
восстановителя, |
описанная |
в |
работе |
[62], |
приведена на |
|
рис. 2.16. Через |
диоды Ди Д 2 |
протекает ток £, |
а в коллекторе |
|||
транзистора Т3 |
течет ток к£ |
(к >1). При |
поступлении |
отрица |
||
тельного входного сигнала диод Д\ запирается, и конденсатор Ci заряжается током L После окончания сигнала и появления
+27В
Рис. 2.16. Электрическая схема ВПС активного типа:
Г, ... То— ГТ308В; Г7 — КТ301Ж: С .-0.01 мкФ; Д и Дг — Д310.
104
положительного выброса диод Д 2 и транзистор Г3 запираются,, ток к£ через Ту переключается в Д\ и обеспечивает восстанов ление потенциала точки А к нулевому уровню в к раз бы
стрее, |
чем |
пассивный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ВПС. В показанной на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
рис. |
2.16 |
схеме |
|
фактор |
|
|
|
|
|
|
|
-о+24В |
|||||
к ~ 2 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В работе [63] предло |
|
|
|
|
|
|
|
0+128 |
||||||||
жен активный ВПС, пред |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
назначенный для |
измере |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ния |
биполярных сигналов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
от «пика до пика», упро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
щенная |
схема |
|
которого |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
показана |
на |
рис. 2.17. |
|
|
|
|
|
|
|
ВЫХ |
|||||||
В |
отсутствие сигнала |
ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
г |
проходит через |
Т3, |
Д\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
и Т5. Переключение тока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
в транзистор Т4 осущест |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
вляется по входу «управ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ление» незадолго до по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ступления |
сигнала |
отри |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
цательной |
полярности |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
базу Т1 . Транзистор Т2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
при этом |
открывается |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
его коллекторный ток че |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
рез Д\ удерживает потен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
циал базы Т, вблизи ну- управление |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
левого уровня (считается, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
что характеристики тран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
зисторов Т1, Тг одинако |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
вы). Когда сигнал на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
входе |
схемы |
|
начинает |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
возрастать |
(момент |
£i), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
7'з запирается |
(ток i сиг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
налом по входу управле |
Рис. |
2.17. |
Электрическая |
схема |
(а) |
ВПС |
|||||||||||
ния |
переключен |
в |
Г4 |
и |
|||||||||||||
До) |
и на |
выходе |
схемы |
для |
измерения |
биполярных сигналов от |
|||||||||||
пика до |
пика и временные диаграммы |
сиг |
|||||||||||||||
появляется |
положитель |
|
|
|
налов |
(б, |
в ). |
|
|
||||||||
ный импульс (рис. 2.17, б), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
равный в момент t2 сум |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ме |
амплитуд |
положительной |
и отрицательной частей вход |
||||||||||||||
ного |
импульса. |
|
Принципиальная |
схема, |
приведенная |
в |
ра |
||||||||||
боте |
[63], |
значительно |
сложнее. |
Это |
|
объясняется |
тем, |
||||||||||
что |
для |
быстрого |
перезаряда |
конденсатора |
Св его величина |
||||||||||||
должна быть достаточно мала |
(около 200 |
пФ). При интеграль |
|||||||||||||||
ной нелинейности менее 0 , 1 % изменение входной емкости схе мы не должно превышать 0,1 пФ. Так как емкости р—«-пере ходов примененных полупроводниковых приборов при входном
105
сигнале 1 0 В изменяются значительно больше, принципиальная схема содержит дополнительные каскады, обеспечивающие «сле дящую» обратную связь на входные транзисторы.
Описанная схема имеет преимущества перед другими, так как измерение биполярного сигнала от «пика до пика» позво
ляет уменьшить 7(п.ш вфЧ/З раз по сравнению со схемами измерения амплитуды одной полярности [64].
Заканчивая обзор схемных решений, следует заметить, что ВПС, как и любые устройства, входящие в усилительный тракт спектрометров с ППД, должны обладать высокими изме рительными параметрами. Нелинейные эффекты в ВПС обуслов лены главным образом выходным импедансом предшествующей
схемы |
У?вых, |
так как падение |
напряжения |
на |
нем равно |
iRaux |
(i — ток, перезаряжающий |
конденсатор |
Св). Поэтому |
||
обычно ВПС |
предшествует буферный усилитель |
с выходным |
|||
импедансом 7?Вых<Ю Ом, так что падение напряжения на нем при г = 1 00 мкА не превышает 0,1 мВ. При максимальном уровне выходного сигнала 5-4-10 В интегральная нелинейность ВПС не превышает сотых долей процента. Схема ВПС, в кото рой величина тока i во время действия сигнала сведена к ми нимуму, приведена в работе [65].
Шумовые характеристики ВПС. Рассмотренные выше схе мы ВПС могут быть представлены одной эквивалентной схе мой (рис. 2.18), которая содержит все необходимые элементы: конденсатор Св, ключ Кл и последовательный резистор R. Не которые различия между схемами (см. на рис. 2.15—2.17), обусловленные управлением ключом Кл, заключаются в том,
что в схемах на рис. |
2.15 и 2.16 ключ Кл замкнут |
до момента |
t = 0 и размыкается |
в момент поступления сигнала. |
Схема на |
рис. 2.17 предполагает более сложное управление ключом и рас сматриваться здесь не будет.
Анализ характеристик случайных процессов на входе и вы
ходе |
восстановителя UBX(t), UBhix(t) был |
выполнен в |
работе |
|||
[6 6 ]. |
В момент t = tn измеряется выходное |
напряжение, |
равное |
|||
|
£/вых(*„) = |
* Л ^ н ) - ^ с ( 0 ) . |
|
|
||
Так |
как до момента ^ =0 ключ Кл |
был замкнут, то напряже |
||||
ние |
Uc {t) на конденсаторе |
Св при |
^<0 |
К Ф 0 |
(случай |
R = 0 |
рассматривается отдельно) |
отлично от t/Bx(0- |
С приходом сиг |
||||
нала ключ Кл размыкается, и напряжение Uc (0), зафиксиро
ванное в момент t = 0 |
, является случайной |
величиной, |
харак |
|
теризуемой средним |
значением |
Uc= 0 и |
дисперсией |
D (Ur,). |
Дисперсия выходного сигнала равна |
|
|
||
D [UBhlx(А,)] = D (£/„) + |
D (Ue) - |
2К (/,„ 0) |
|
|
и зависит от вида корреляционной функции K (ta, 0 ) случайных величин UBX(t„) и Uc.(0), которые в свою очередь являются се
106
чением случайных процессов UB^(t) и Uc (t) в моменты времени
t = tu и t — О соответственно. |
При некоторых упрощениях в ра |
|||||||
боте [67] |
получено |
следующее |
выражение для коэффициента |
|||||
ЛвАт: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11вЛ1 |
= |
[ 1 + |
а — 2 |
У а |
К (А,)1“ ’/:. |
|
|
где г|, т]п — отношение |
сигнал/шум на |
входе и |
выходе восста |
|||||
новителя |
соответственно |
при |
CR—/?С-формировании; |
а = |
||||
— D(UC)/D (U BX) — фактор |
ослабления шумов |
фильтром |
вос- |
|||||
Рис. 2.18. Эквивалентная схема ВПС.
становителя; K (tn) — коэффициент |
корреляции |
случайных |
ве |
||||||
личин UBX(tn) и £УС(0). Для «быстрого» |
восстановителя R = 0, |
||||||||
Uc (0 ) = Д ПХ(0) |
и а = 1; следовательно, |
r)BAi = [2—K (tu)]~112. |
|
||||||
На рис. 2.19, а |
показано изменение |
соотношения |
T]BAioo |
д л |
|||||
быстрого (R = 0 ) |
восстановителя в |
зависимости |
от |
постоянной |
|||||
формирования |
основного |
усилителя |
(в единицах т0). Там |
же |
|||||
для сравнения |
приведена |
зависимость |
r)Aico |
(заметим, |
что |
||||
ЛА]х. при тф=т0 есть величина, обратная |
коэффициенту |
пре |
|||||||
вышения шума CR—7?С-фильтра). Видно, |
что для быстрого вос |
||||||||
становителя оптимальное значение т,|, смещается |
в точку 1 ,9 3 то. |
||||||||
На рис. 2.19,6 приведены зависимости |
ti„Ai при различных |
||||||||
значениях постоянной фильтра восстановителя хB= CBR. У «бы |
|||||||||
строго» восстановителя при правильном |
выборе |
постоянной |
|||||||
формирования |
основного |
усилителя |
(тф/то=1 ) ухудшение |
раз- |
|||||
107