Спектрометрический усилитель Советский патент 1992 года по МПК H03K5/08 H03K5/02 

1

(21)4827279/21 (22) 17.05.90 (46)23.12.92. Бюл. №47

(71)Союзный научно-исследовательский институт приборостроения

(72)Ю.Ю.Доценко

(56)Андропов О.И. Аналоговые спектрометрические модули КАМАК, и др. Новости ИДИ. - 1984. - № 2.-- с. 17, рис. 1.

Акимов O.K. и др. Спектрометрический усилитель. Приборы и техника эксперимента. - 1985. - № 3. - С. 131-134. Рис. 1.

(54) СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

(57)Изобретение предназначено для построения амплитудных спектрометрических трактов многоканальный анализаторов. Усилитель содержит усилительную секцию 1, восстановитель 2 базового уровня, имеющий компаратор 3 напряжения, инверсный вход которого соединен с выходим усилительной секции 1 и выходом 4 устройства.

Выход компаратора 3 соединен с управляющими входом ключа 5, выход 6 которого через последовательную цепь, образованную первым резистором 7 и конденсатором 8, а также через третий резистор 9 связаны с общей.шиной, вход 10 ключа 5 соединен с истоком полевого транзистора 11 р-типа, а через четвертый резистор 12 с шиной 13 положительного питания компаратора 3, вывод отрицательного питания которого и сток полевого транзистора 11 р-типа соединены с шиной 14 отрицательного питания. Затвор транзистора 11 соединен с затвором полевого транзистора 15 n-типа и первой обкладкой конденсатора 8, исток транзистора 15 соединен с прямым входом усилительной секции 1 и через второй резистор 16 - к шиной 14 отрицательного питания, а Сток транзистора 15 подключен к шине 13 положительного питания. Инверсный вход усилительной секции 1 является входом 17 устройства. 2 ил.

VJ

00 (л ( О VI

. Фие. 7

Изобретение относится к ядерной электронике и может использоваться, например, для построения амплитудных спектрометрических трактов многоканальных анализаторов,

Известен спектрометрический усилитель 1 (СУ), содержащий усилительный блок с непосредственными связями, операционный усилитель (ОУ), выход которого через последовательную цепь, состоящую из двух резисторов, соединен с прямым входом усилительного блока, а общая точка этой цепи через два неполярных конденсатора соединена с общей шиной, выход усилительного блока соединен с выходом спектрометрического усилителя и инверсным входом ОУ, прямой вход которого соединен с общей шиной, причем вход усилительного блока через резистор соединен с входом спектрометрического усилите- ля.

К недостаткам этого СУ следует отнести:

-зависимость базового уровня от длительности и частоты входных импульсов;

-громоздкость устройства, обусловленная большими габаритами неполярных конденсаторов (которые к тому же снимаются с производства).

Наиболее близким к заявленному тех- ническому решению является спектрометрический усилитель 2, содержащий усилительный блок с непосредственными связями, шесть резисторов, два конденсатора, четыре диода, операционный усили- тель и полевой транзистор первого типа (например, n-типа), причем выход усилительного блока соединен через последовательную цепь, состоящую из первого и второго резисторов с инверсным входом операционного усилителя, а общая точка первого и второго резисторов соединена через параллельную цепь, образованную первым и вторым встречно включенными диодами, с общей шиной и через первый конденсатор с выходом усилительного блока, инверсный вход ОУ через третий резистор и через последовательную цепь, состоящую из четвертого резистора и параллельной цепи из встречно включенных третьего и четвертого диодов, соединен с выходом ОУ; кроме того, выход ОУ через пятый резистор соединен с положительной обкладкой второго полярного (электролитического) конденсатора и затвором полевого транзистора первого типа (n-типа), источник которого соединен через переменный резистор, а сток - непосредственно с соответствующими шинами питания, средний выход переменного резистора соединен с прямым

входом усилительного блока, инверсный вход которого является входом усилителя, отрицательная обкладка второго конденсатора и прямой вход ОУ соединены с общей шиной.

Данному устройству присущи следующие недостатки:

-громоздкость, обусловленная в первую очередь большими габаритами электролитического конденсатора, кроме того, есть возможность переполюсовки второго (электролитического) конденсатора;

-систематическое прохождение однопо- лярных (после ограничения на первом и втором диодах) импульсов на выход операционного усилителя в зависимости от формы и длительности входных импульсов смещает выходной уровень, что ограничивает максимальную частоту входных импульсов устройства;

-большой ток входной цепи ОУ.

Неудовлетворительные массогабарит- ные показатели СУ обусловлены не только большими габаритами электролитического конденсатора, но и большим количеством радиоэлементов во входной цепи и цепи отрицательной обратной связи ОУ.

Переполюсовка электролитического конденсатора может привести к его взрыву (по ТУ переполюсовка недопустима).

Неполярные конденсаторы допускают переполюсовку, но их отечественная промышленность в настоящее время не выпускает и, кроме того, их габариты (при равных емкостях) в четыре раза больше.

При образовании неполярного конденсатора при помощи полярных конденсаторов за счет их встречного включения габариты увеличиваются в два раза, а емкость такого конденсатора в два раза меньше, т.е. для получения эквивалентной емкости габариты должны быть увеличены в четыре раза.

Систематическое прохождение в цепь обратной связи ОУ однопопярных импульсов ограничивает максимальную частоту входных импульсов на уровне 8x10 имп/сек.

Большой ток во входной цепи ОУ обусловлен малым значением сопротивления первого резистора.

Цель изобретения - расширение области использования за счет уменьшения мас- согабаритных размеров и повышения частоты контролируемого сигнала.

Указанная цель достигается тем, что в спектрометрический усилитель, содержащий усилительный блок, инверсный вход которого соединен с входной шиной, а выход с выходной шиной, конденсатор, четыре резистора, полевой транзистор первого типа, затвор которого соединен с первым выводом первого резистора и через конденсатор с общей шиной, исток через второй резистор, а сток - непосредственно с соответст- вующими шинами питания, введены полевой транзистор второго типа, ключ и компаратор напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход ключа соединен с вторым выводом пер- вого резистора, и через третий резистор с общей шиной, вход ключа соединен с истоком полевого транзистора второго типа, затвор которого соединен с первым выводом первого резистора, исток полевого транзи- стора второго типа через четвертый резистор, а сток непосредственно соединены с соответствующими шинами питания, инверсный вход компаратора напряжения соединен с выходной шиной, а прямой вход с общей шиной, прямой вход усилительного блока соединен с истоком полевого транзистора первого типа.

В заявленном устройстве уменьшение массогабаритных размеров и увеличение максимальной частоты входных импульсов устройства достигается путем введения полевого транзистора второго типа и замены операционного усилителя компаратором и ключом, что позволило уменьшить номинал и габариты конденсатора и увеличить номиналы первого и третьего резисторов для получения больших постоянных времени заряда и разряда конденсатора, причем выходные (отрицательные) информационные импульсы устройства при помощи компаратора выключают ключ, чем устраняется смещение выходного уровня устройства при действии на его вход информационных импульсов.

Одной из основных функций спектрометрического усилителя является компенсация температурного и временного дрейфа нуля, однако при поступлении информационных импульсов на вход устройство не- избежно смещение его базового уровня, которое различными путями стремятся уменьшить. В предлагаемом устройстве это достигается за счет большой постоянной разряда и малой заряда конденсатора. В прототипе такая возможность отсутствует, так как постоянные заряда и разряда конденсатора одинаковы и определяются величиной сопротивления первого резистора и емкостью конденсатора 2.

Заявленный усилитель представлен на фиг, 1.

Он содержит усилительный блок 1, инверсный вход которого соединен с входной шиной 2 устройства, а выход - с выходной

шиной 3 устройства, конденсатор 4, четыре резистора 5, 6, 7, 8, полевой транзистор 9 первого типа, затвор которого соединен с первым выводом первого резистора 5 и через конденсатор 4 с общей шиной, исток транзистора 9 через второй,резистор 6, а сток - непосредственно соединены с соответствующими шинами питания, т.е. с шинами Еп1 - 10 и ЕП2 11 соответственно: выход компаратора 12 напряжения соединен с управляющим входом ключа 13, выход 14 которого соединен с вторым выводом первого резистора 5 и через третий резистор 7 с общей шиной, вход 15 ключа 13 соединел с истоком транзистора 16 второго типа затвор которого соединен с первым выводом первого резистора 5, исток полевого транзистора 16 через четвертый резистор 8, а его сток - непосредственно соединены с соответствующими шинами питания, т.е. с шинами ЕП2 - 11 и Еп1 - 10 соответственно; инверсный вход компаратора 12 напряжения соединен с выходной шиной 3 устройства, а его прямой вход - с общей шиной, при этом прямой вход усилительного блока 1 соединен с истоком полевого транзистора 9.

Эпюры напряжений и токов в характерных точках усилителя представлены на фиг. 2.

Усилитель работает следующим обра- зом. На вход 2 усилителя поступают инфор- мационные импульсы положительной полярности (фиг. 2, вход 2). Эти импульсы инвертируются и усиливаются в усилительном блоке 1 и поступают на выход 3 (фиг. 2, вых. 3) устройства и инверсный вход компаратора 12. Так как в усилительном блоке 1 межкаскадные связи выполнены с помощью непосредственных связей, то его выходной уровень будет зависеть от напряжения смещения входа компаратора 12, частоты поступающих импульсов и потенциала, заданного на прямой вход компаратора 12. Таким образом, на инверсный вход компаратора 12 поступают импульсы отрицательной полярности на фоне какого-то постоянного уровня. В данном случае близкого к нулевому.

Компаратор 12 и ключ 13 может быть реализован, например, на одной интегральной схеме КР554САЗ (521 САЗ), причем выходом 14 ключа 13 является разомкнутый коллектор, в входом 15 ключа 13 является разомкнутый эмиттер биполярного выходного транзистора n-p-п типа, база которого является управляющим входом ключа 13, выходом компаратора 12 является выход внутреннего выходного генератора тока (см. эл, схему ИС КП554САЗ). При появлении на инверсном входе компаратора 12 отрицательного информационного импульса ключ

13 размыкается. В течение действия входного импульса будет происходить экспоненциальный разряд конденсатора 4 с большой постоянной времени, равной тр C4(Rs + R). Таким образом, выбор резисто ров 5 и 7 больших номиналов позволяет применять конденсатор А малой емкости, а следовательно, и минимальных габаритов и веса.

Так, например, при емкости конденса- тора 4 равной 3,3 мкф, резисторе 5-10 Ом, резисторе 7- 107 Ом постоянная разряда (т составит Тр - 3,3 (1 + 10)-10s 33 с У прототипа постоянная разряда составляет Гр 22-103-3 -10 4 6,6с при этом габариты конденсатора в три раза больше, а постоянная разряда в пять раз меньше.

Входной импульс устройства сам выключает ключ 13 на время его длительности и базовый уровень практически удерживается постоянным, т.е. практически отсутствует систематическое прохождение однополярных импульсов на интегрирующий конденсатор 4.

По окончании информационного вход- ного импульса под воздействием небольшого изменения выходного уровня усилителя 1, вызванного экспоненциальным саморазрядом конденсатора 4 в момент действия входного импульса, которое поступает че- рез усилительный блок 1 на инверсный вход компаратора 12 замыкает ключ 13 (фиг. 2, йых. 14), т.е. при этом включается отрицательная обратная связь через блок 1 с целью

.

установления на инверсном входе компа ратора 12 потенциала, равного потенциалу, заданному на прямом входе компаратора 12.

В этом случае происходит заряд конденсатора 4 током, равном 3 (фин. 2,1 Зар С4)

.

I УВЫХ.КЛ.

- |VC4 I

Rs

где Увых.кл - напряжение на выходе 14 ключа 13. Это напряжение задается выбором номинала резистора 8 с учетом реаль- ной входной характеристики транзистора 16.

Vc4 - напряжение на конденсаторе 4 (оно может быть только отрицательным).

RS - номинал резистора 5, в нашем слу- чае он выбран равным 10 Ом. Зарядный ток выбирается исходя из необходимого времени восстановления (заряда) конденсатора 4. Это время выбирают равным 1-3 с, оно меньше времени разряда конденсатора 4 и поэтому восстановление

5

10 ) 15 202530

35

40

0 5

выходного базового уровня усилителя происходит быстро (фиг, 2, I раз С4, вых, 14).

Базовый уровень на выходе 3 практически не меняется при увеличении соедней частоты входных импульсов до 4-10 имп/сек при длительности входных импульсов менее 1,5 мкс.

В промежутках между входными информационными импульсами отрицательная обратная связь компаратора 12 под действием помех или шумов также может замыкаться для стабилизации базового уровня усилителя, причем в этом процессе активно участвует как сопротивление открытого ключа 13, так и его переходное сопротивление, поскольку длительность помех соизмерима с временем перезаряда конденсатора 4 (фиг. 2, I раз С4, 1раз С4, вых. 14).

Габаритные размеры конденсатора 4, как уже отмечалось выше, в три раза меньше габаритов конденсатора, используемого в устройстве-прототипе, что позволило в два раза уменьшить ширину блока предлагаемого усилителя, т.е. реализовать усилитель в типовом блочке единичной ширины. Кроме того, из-за меньшего количества элементов предлагаемого усилителя уменьшается его стоимость и увеличивается надежность, т.к. отпала необходимость в четырех диодах, двух резисторах, конденсаторе, причем вместо переменного резистора (см. схему прототипа) используется постоянный резистор 6.

В предлагаемом усилителе более чем в два раза увеличилась загрузка усилителя из-за того, что постоянная заряда конденсатора 4 значительно меньше постоянной разряда, а в прототипе они одинаковы. Масса усилителя уменьшилась в 1,3 раза в основном за счет конструкции усилителя, реализованного на блочке единичной ширины типового конструктива Кизил.

В заявленном устройстве практически отсутствуют входные токи компаратора 12, т к. используемые в настоящее время компараторы имеют входные токи менее 2 А.

Диапазон изменения напряжения истока тра нзистора 9 от +Узи9 до -{Vni - VSI/IQ), где /зиэ - напряжение между затвором и истоком транзистора 9. Узи меньше напряжения отсечки и определяется входной характеристикой и номиналом резистора 6.

Для спектрометрических усилителей вполне достаточно изменение напряжения на прямом входе усилительного блока 1 - +-(1 + 2)В, что обеспечивается без труда.

Формула изобретения

Сяектрометрический усилитель, содержащий усилительный блок, инверсный вход

которого соединен с входной шиной, а выход - с выходной шиной, конденсатор, четыре резистора, полевой транзистор первого типа, затвор которого соединен с первым выводом первого резистора и через конденсатор - с общей шиной, исток через второй резистор, а сток непосредственно с соответствующими шинами питания, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования за счет уменьшения массогабаритных размеров и повышения частоты контролируемого сигнала, введены полевой транзистор второго типа, ключ и компаратор напряжения, выход которого

М) Ч

. У

соединен с управляющим входом ключа, выход ключа соединен с вторым выводом первого резистора и через третий резистор - с общей шиной, вход ключа соединен с истоком полевого транзистора второго типа, затвор которого соединен с первым выводом первого разисто- ра, исток полевого транзистора второго типа через четвертый резистор, а сток непосредственно соединены с соответствующими шинами питания, инверсный вход компаратора напряжения соединен с выходной шиной, а прямой вход- с общей шиной, прямой вход усилительного блока соединен с истоком полевого транзистора первого типа.

V/