Импульсный усилитель Советский патент 1986 года по МПК H03K5/02 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к предусили- телям с импульсной о.братпой связью, и является усовершенствованием устройства по основному авт.св. № 790191.

Цель изобретения - уменьшение времени восстановления оптимального рабочего режима.

На фиг.1 изображена блок-схема импульсного усилителя, на фиг.2 - то же, с автоматическим управлением, па фиг.З - вариант выполнения блока регулировки и блока согласования, на фиг,4 - вариант выполне- ПИЯ блока автоматического управления и диаграммы, поясняющие его работу, на фиг,5 - временные диаграммы сигналов в первом варианте импульсного усилителя в соответствии с реализацией блока регулировки и согласования, на фиг.6 - вариант схемы одновибратора с регулируемой длительностью.

Импульсный усилитель (фиг.1) со- держит последовательно соединенные детектор 1, полевой транзистор 2, ограничитель 3, операционный усилитель 4, выход которого соединен с выходом импульсного усилителя, с входом порогового элемента 5 и через конденсатор 6 обратной связи с затвором полевого транзистора 2. Выход порогового элемента 5 соедине с входом блока 7 регулировки, первый выход 8 которого соединен с входом генератора 9 серии импульсов, выход которого соединен с первым входом 10 блока 11 согласования а второй выход 12 блока 7 регулировки - с вторым входом 13 блока 11 согласования, выход которого соединен со стоком полевого тран- зистора 2.

Импульсный усилитель с автоматическим управлением (фиг.2) дополнительно содержит блок 14 автомат - ческого управления, с первым входом 15, соединенным с выходом операционного усилителя входом 16, и выходом 17 соединенным с входом 18 регулирования блока 7 регулировки.

Блок 7 регулировки (фиг.З) содержит элемент 19 задержки, логический элемент И 20 и одновибратор 21 с регулируемой длительностью. Вход элемента 19 задержки соединен с выходом порогового злемента 5 .и является входом блока 7 регулиров

j

щ 20

25 -

5

201192

ки (фиг. 1 и 2), первым выходом соединен с первым входом логического элемента И 20, а вторым - с входом запуска одновибратора 21 с регу- 5 лируемой длительностью. Один из выходов одновибратора 21 с регулируемой длительностью соединен с вторым входом логического злемента И 20, выход 8 которого в импульсном усилителе (фиг. 1 и 2) соединен с входом генератора 9 серии импульсов и является первым выходом блока 7 регулировки. Второй выход 12 одновибратора 21 с регулируемой длитель- ностт: ю в импульсном усилителе (фиг, 1 и 2) соединен с входом 13 блока 11 согласованиями является вторым выходом блока 7 регулировки.

Блок 11 согласования (фиг.З) содержит усилитель 22 и переключатель 23 на диодах. Вход усилителя 22, который является первым входом 13 блока 11 согласования, соединен с выходом 12 блока 7 регулировки, а выход усилителя 22 соединен с вто- входом переключателя 23 на диодах, первый вход которого является вторьм входом 10 блока 11 согласования. Выход переключателя 23 на диодах является выходом блока 11 согласования и соединен со стоком полевого транзистора 2 (фиг. 1 и 2).

Вариант исполнения блока 14 автоматического управления (фиг.4), содержит последовательно соединенные интегратор 24, дифференциатор 25, вы.прямитель 26, блок 27 выборки-хранения. Вход интегратора 24 является первым входом 15 блока 14 и соединен с выходом операционного усилителя 4. Второй вход блока 27 выборки-хранения является входом 16 сброса блока 14 и соединен с выходом порогового элемента 5. Выход блока 27 выборки-хранения является выходом 17 блока 14 автоматического управления и соединен с входом 18 блока 7 регулировки.

Описание одного из вариантов схемы одновибратора с регулируемой длительностью (фиг.6).

Устойчивое исходное состояние: вход запуска - логическая 1, выход - логический О, V,. - О, конденсатор С разряжен, U|.0, потенциал на Vj -, около нуля.

При подаче отрицательного перепада напряжения на Вход запуска триг40

45

50

rep на D1,1 и D1.2 опрокидывается, формируя на выводе Выход потенциал логический 1, при этом транзистор 1 закрывается и конденсатор С начинает заряжаться от напряжения, поданного на Вход управления длительностью через резисторы R1 и R2. Постоянную времени заряда конденсатора С можно установить резистором R1 . Напряжение на эмиттере транзистора V, повторяет напряжение на конденсаторе. При достижении напряжением на транзисторе порога срабатывания компаратора, построенного на диоде V3 и D1.3, триггер на D1,1, D1.2 сбрасывается в исходное состояние, формируя на выходе сигнал, длительность которого завист от напряжения, поданного на Вход управления длительностью.

Импульсный усилитель работает следующим образом.

Детектор 1, конвертирующий энергию квантов излучения в пропорциональный энергии заряд токовых сигналов, смещен источником напряжения в обратном направлении. Входным элементом усилителя является полевой транзистор 2. Ток затвора полевого транзистора 2 в стационарном состоянии меньше обратного тока детектора 1. Ток через полевой транзистор 2 и напряжение на стоке устанавливаются оптимальными с точки зрения минимума шумового вклада, вносимого полевым транзистором 2.Напряжени на стоке полевого транзистора 2 меньше напряжения, при котором возникает ударная ионизация, вызывающая ток затвора. Сток полевого транзистора 2 соединен с ограничителем 3, а выход ограничителя 3-е неин- вертируюшдм входом операционного усилителя 4, при этом сток полевого транзистора 2 и вход операционного усилителя 4 соединяются гальванически. Ограничитель 3 предназначен для отключения операционного усилителя 4 от стока полевого транзистора 2 в режиме восстановления заряда на конденсаторе 6 при замыкании петли стоковой обратной связи. Ограничитель 3 также фиксирует потенциал на входе операционного усилителя 4 для стабилизации его режима с целью уменьшения восстановления последнего после отключения петли стоковой обратной связи. Операционный усили-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

i 19

гель 4 обеспечивает необходимое усиление. Конденсатор 6 обратной связи, включенный между выходом операционного усилителя 4 и точкой соединения детектора 1 и затвора полевого транзистора 2, определяет зарядочув- ствительность усилителя. На нем осуществляется преобразование заряда, поступившего с детектора 1 при регистрации кванта, в импульс напряжения. Импульсы напряжения снимаются с выхода операционного усилителя 4 (фиг. 1 и 5),

На фиг,5 рассмотрен частный случай, когда импульс регулируемой длительности является первым в серии. Порядок следования этого импульса в серии определяется элементом 19 задержки (фиг.З). К выхолт;у операционного усилителя 4 подключен пороговый элемент 5, величины верхнего И и нижнего И порогов которого определяют границы динамического диапазона выходных сигналов, т.е. начало и конец цикла восстановления импульсного усилителя (фиг.З, диаграмма 28), пороговьс элемент 5 управляет работой блока 7 регулировки.

Блок 7 регулировки по заданному алгоритму управляет работой генератора 9 серии импульсов и формирует регулируемой длительности. Порядок следования этого импульса в последовательности остальных разрядных импульсов и разрешение на запуск генератора 9 серии .импульсов могут регулироваться для выбора наиболее эффективного цикла восстановления заряда на детекторе и, соответственно, уменьшения мертвого времени и увеличения выходной скорости счета импульсного усилителя.

Сигналы с выхода генератора 9 се- Р1Ш импульсов и выхода 12 блока 7 регулировки поступают соответственно на выходы 10 и 13 блока 11 согла сования, которое необходимо для суммирования входных сигналов, развязки выходов генератора 9 серии импуль сов и блока 7 регулировки между собой, а также для устранения влияния блоков 7 и 9 на режим работы полевого транзистора 2 во время рабочего цикла импульсного усилителя. Пороговый элемент 5 через элемент 19 задержки (фиг.З) запускает одновибратор 21 с регулируемой длительностью, а через элемент 19 задержки и логическую схему И 20 управляет генератором 9 серии импуль- сов. Элемент 19 задержки служат ;ц1я задержки запуска через логическую схему И 20 генератора 9 серии импульсов на время запуска одновибра- тора 21 с регулируемой длительность и для выбора положения импульса с одновибратора 21 среди серии импульсов генератора 9.

Положительный логический ш пульс с одновибратора 21 регулируемой длительности (фиг.5, диаграмма 35) через усилитель 22, служащий для согласования выходных логических уровней одновибратора 21 регулируемой длительности с уровнями сигнала,необходимого для управления полевым транзистором 2 по стоку, и переключатель 23 на диодах, необходимый дл развязки усилителя 22 от генератора 9 серии импульсов при работе и для отключения их от стока полевого транзистора 2 на рабочем ходе импульсного усилителя (стоковая обратная связь разомкнута), поступает на сток полевого транзистора 2 (фиг,5, диаграмма 39) Параметры импульса с одновибратора 21 - амплитуда и длительность определяют режим полевого транзистора 2 в процессе восстановления заряда на его входе и могут быть оптимизированы с целью уменьшения длительности процесса восстановления. После окончания импульса с одновибратора 21 регулируемой длительности через логический элемент И 20 запускается генератор 9 серии, импульсы с которог (фиг,5, диаграмма 38) через переключатель 23 на диодах поступают на сток полевого транзистора 2 (фиг,5. диаграмма 39), Параметры серии импульсов - амплитуда, длительность, частота определяют режим полевого транзистора 2 в процессе восстановления заряда на его входе и также могут быть оптимизированы с целью уменьшения процесса восстановления.

Под действием индуцированного излучения заряда с детектора 1, а также заряда, накапливаемого на конденсаторе 6 обратной связи под действием разностного тока на входе полевого транзистора 2, напряжение на выходе операционного усилителя 4 смещается в сторону положительного

0

5

0

5

0

0

5

0

5

потешщала (фиг.5, диаграмма 28). При достижении верхнего порога порогового элемента 5 последний срабатывает и через элемент 19 задержки запускает одновибратор 21 регулируемой длительности (фиг.5, диаграммы 35 и 36), Тем caMbLM замыкается петля импульсной стоковой обратной связи,, ив сток полевого транзистора 2 поступает импульс напряжения (фиг,5, диаграмма 39), Одновременно данный импульс переводит ограничитель 3 в режим фиксации потенциала на входе операционного усилителя 4, при этом гальваническая связь стока полевого транзистора 2 и входа операционного усилителя 4 разрывается. На выходе операционного усилителя 4 устанавливается макси- мальньп потенциал. Импульсное увеличение напряжения на стоке вызывает ударную ионизацию и рост тока затвора. Возросшим током затвора компенсируется часть заряда на конденсаторе б обратной связи, который накопился за рабочий цикл усилителя, 1

В момент окончания импульса с одиовибратора 21 с регулируемой длительностью ограничитель 3 замыкает гальванически сток полевого тран- , зистора 2 с входом операционного З силителя 4, тем самым восстанавливается режим полевого транзистора 2 и операционного усилителя 4, соот- ветст)зующий рабочему циклу. На выходе операционного усилителя 4 устанавливает.ся напряжение (фиг,5, диаграмма 28), обусловленное неском- пенсированньп- зарядом на конденсаторе 6 образной связи после подачи Ш Шульса с одновибратора 21 с регулируемой длительностью в сток полевого транзистора 2, Это напряжение превышает порог срабатьшания порогового элемента 5, и последний не изменяет своего состояния. После окончания импульса с одновибратора 21 с регулируемой длительностью с логического элемента И 20 на вход генератора 9 серии импульсов поступает разрешение на запуск (фиг.5, диаграмма 37), Тем самым опять замыкается петля импульсной стоковой обратной связи и в сток полевого транзистора 2 с выхода генератора 9 серии 1Фгпульсов через переключатель 23 на диодах поступает первый

короткий импульс напряжения. Процессы, происходящие с ограничителем 3, операционным усилителем 4, аналогичны описанным при подаче импульса с одновибратора 21 с регулируемой длительностью. В момент окончания импульса ограничитель 3 замыкает гальванически сток полевого транзистора 2 с входом операционного усилителя 4 и восстанавливается режим полевого транзистора 2 и операционного усилителя 4, соответствующий рабочему циклу. На выходе операционного усилителя 4 устанавливается напряжение, обусловленное нескомпенсированным зарядом на конденсаторе 6 обратной связи после подачи импульсов в сток полевого транзистора 2. Это напряжение превьшает нижний порог срабатывания порогового элемента 5, и он не изменяет своего состояния. Затем с генератора 9 серии импульсов на сток полевого транзистора 2 поступает следующий импульс и описанный цикл повторяется. Такие циклы подачи разрядного импульса в сток полевого транзистора 2 и паузы, во время которых сравнивается напряжение на выходе операционного усилителя 4 с нижним уровнем порогового элемента 5, происходят до того момента, пока напряжение на выходе операционного усилителя 4 не станет меньше нижнего порога порогового элемента 5 (фиг.5, диаграмма 28). В этот момент пороговый элемент 5 изменяет свое состояние (фиг.5, диаграмма 34) и блокирует запуск генератора 9 серии импульсов. Цикл восстановлени заканчивается, и начинается рабочий цикл импульсного усилителя. Границы временного интервала цикла восстановления определяются моментами пересечения выходным напряжением операционного усилителя 4 верхнего и нижнего уровней порогового элемента 5.

Начальный этап цикла восстановления осущестляется длинным импульсом без пауз, а затем короткими импульсами с паузами, поэтому в начальный этап осуществляется быстрая компенсация напряжения на конденсаторе 6 обратной связи.

В импульсном усилителе (фиг.2) осуществляется автоматическая ре-

0

5

0

5

0

5

0

5

гулировка длительности одного из импульсов серии в зависимости от скорости нарастания сигнала на выходе операционного усилителя (ОУ) 4, т.е. в зависимости от входной скорости счета. При неизменной входной загрузке работа этого импульсного усилителя практически не отличается от работы импульсного усилителя без автоматической регулировки (фиг.1). . При увеличении входной загрузки скорость нарастания сигнала (фиг.4, диаграмма 28) при рабочем цикле увеличивается, соответственно блок 14 автоматического управления выраба- тьшает сигнал, увеличиваюпщй длительность импульса с блока 7 регулировки и изменяюпщй режим восстановления заряда, накопленного на конденсаторе 6 обратной связи, для минимизации длительности цикла восстановления импульсного усилителя 4. При уменьшении входной загрузки происходит уменьшение сигнала управления и, соответственно, уменьшение длительности импульса с блока 7 регулировки.

Чем больше входная скорость счета, тем быстрее нарастание сигнала на выходе ОУ 4, больше величина регулирующего напряжения на входе 18 регулировки блока 7 регулировки и тем больше длительность одного из импульсов серии.

Эта операция осуществляется с помощью блока 14 автоматического управления (фиг.2), на вход 15 которого подается сигнал с выхода ОУ 4, на вход 16 сброса подается сигнал с выхода порогового элемента 5 в момент окончания цикла восстановления импульсного усилителя. С выхода 17 блока 14 на вход 18 регулировки блока 7 регулировки подается постоянное напряжение, величина кото- рого пропорциональна скорости нарастания сигнала на выходе ОУ, 4.

Подробнее работа импульсного усилителя с автоматическим управлением поясняется с помощью фиг.4. Сигнал 28 с выхода операционного . усилителя 4 сглаживается (сигнал 29) интегратором 24 и подается на дифференциатор 25, на выходе которого (фиг.4, диаграмма 30) величина сигнала определяется скоростью изменения сигнала 29. Полученный сигнал 30 выпрямляется выпрямителем 26

(сигнал 31),так как нас интересует скорость нарастания сигнала на выходе операционного усилителя 4 (фиг.2) только во время рабочего хода импульсного усилителя. Сигнал 31 (фиг,4) подается на блок выборки- хранения 27, который запоминает потенциал 32 на выходе дифференциатора 25 и в момент окончания цикла восстановления импульсного усилителя сбрасьшается в исходное (нулевое состояние импульсом 33 с выхода порогового элемента 5 (фиг.2).

Потенциал 32 с блока выборки-хранения 27, пропорциональный скорости нарастания сигнала 28 (фиг.4) на выходе операционного усилителя 4 (фиг.2), т.е. пропорциональный интенсивности квантов излучения на детекторе 1 (фиг,2)9 управляет величиной длительности импульса с од- новибратора 21 с регулируемой длительностью.

Таким образом, чем больше интенсивность квантов излучения, тем больше длительность регулируемого импульса.

Предлагаемое устройство позволяет повысить выходную скорость счета импульсного усилителя, поскольку порционное восстановление заряда ,на конденсаторе обратной связи пос ледовательной подачей длинного импульса и затем серии коротких импульсов в сток полевого транзистора в режиме восстановления импульсного усилителя позволяет минимизировать время восстановления, т.е. мертвое время, за счет выбора оптимальной длительности одного из разрядных импульсов с помощью устр ойства регулировки.

При этом количество коротких импульсов выбирается автоматически, обеспечивая нужную точность опреде™ ления времени окончания цикла восстановления. Импульсный усилитель с устройством автоматического управления повышает эффективность работы усилителя в режиме переменной входной интенсивности.

Формула изобретения

Импульсньй усилитель по авт.св. №790191, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени восстановления оптимального рабочего режима, в него введены блок регулировки и блок согласования, 5 причем вход блока регулировки соединен с выходом порогового элемента, первый выход блока регулировки соединен с входом генератора серии импульсов, второй выход блока регули0 ровки и выход генератора серии импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами блока согласования, а выход блока согласования соединен с стоком полевого транзис5 тора.

2,Усилитель по п.1, отличающийся тем,.что блок регулировки выполнен в виде элемента, задержки, логического элемента И и

0 одновибратора с регулируемой длительностью, причем вход элемента задержки соединен с входом блока регулировки, первый выход элемента задержки соединен с первым входом

5 логического элемента И, а второй - с входом запуска одновибратора с ре- гyлIipyeмoй длительностью, первьй выход которого соединен с вторым входом логического элемента И, выход

Q которого соединен с первым выходом блока регулировки, при этом второй выход одновибратора с регулируемой длительностью соединен с вторым выходом блока регулировки.

3,Усилитель по п.1, отличающийся тем, что блок согласования вьшолиен в виде .переключателя на диодах .и усилителя,причем вход усилителя соединен с первым

д входом блока согласования,, а выход усилителя - с вторым входом переклю- чате.пя на диодах, первый вход которого соединен с вторым выходом блока согласования, а выход переклю,. чателя на диодах соединен с выходом блока согласования.

4,Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен блок автоматиjj ческого управления, причем его первый вход соединен с выходом операционного усилителя, второй вход - с выходом порогового элемента,а его выход - с вторым входом блока регулировки.

5

5, Усилитель по п.4, отличающийся тем, что блок автоматического управления выполнен в

виде последовательно соединенных- интегратора, вход которого соединен с первым входом блока автоматического управления, дифференциатора, выпрямителя и блока выборки-хранения,

причем второй вход блока выборки-хранения соединен с вторым входом блока автоматического управления,а выход блока 5 выборки-хранения соединено выходом блока автоматического управления.

Фиг.г

.З

И

li

3

33

331

JЙ

29

X

23

X

30

v

L

и I

JJL

й

3/

ФигА

JJ

illL

Фиг. 5

Изобретение относится к импульсной технике. Цель изобретения уменьшение времени восстановления оптимального рабочего режима. Устройство содержит детектор 1, полевой транзистор 2, ограничитель 3, операционный усилитель 4, пороговый элемент 5, конденсатор 6 обратной связи, блок 7 регулировки, генератор 9 серии импульсов, блок 11 согласования и блок 14 автоматического , управления. Блок 7 регулировки содержит элемент задержки, логический элемент И и одновибратор с регулируемой длительностью. Блок 11 согласования выполнен в виде переключателя на диодах и усилителя. Блок 14 автоматического управления включает интегратор, дифференциатор, вьшря- митель и блок выборки-хранения. В описании приведены структурные схемы указанных блоков, а также временные диаграммы работы устройства. 4 3. п. ф-лы. 6 ил. i СЛ 1с to

Л-й ипраЛлен гя fifuafVt/moemA к

1

ВНИИПИ Заказ 1332/60 Тираж 816 Подписное Филиал ГШП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4