Импульсный усилитель Советский патент 1980 года по МПК H03K5/02 

;54) ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к ядерной импульсной технике и предназначено для использования в прецизионных спектрометрах рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами Известен импульсный усилитель с непрерывной рез.истивной обратной связью, содержащий инвертирующий опе рационный усилитель, выход которого соединен со входом через параллельно включенные резистор обратной связ и конденсатор обратной связи. Назначение резистора - обеспечить путь разряда конденсатора. Недостатки это го усилителя заключаются в том, что высокоомные резисторы изменяют непредвиденным образом свои свойства при низких температурах, сопротивление высокоомного резистора имеет ком плексный характер и на частоте 100 кГц уменьшается на порядок, уве личивая тем самым уровень теплового шума. Кроме того высокоомные резисторы являются источником шума, что связано с механизмом проводимости в высокоомных пленках и одним своим присутствием увеличивают емкость за твора на землю, а это, в свою очередь, увеличивает последовательный шум({. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является импульсный усилитель с обратной связью , содержащий полевой транзистор, к затвору которого подключен полупроводниковый детектор, неинвертирующий усилитель, вход которого соединен со стоком полевого транзистора, между затвором полевого транзистора и выходом усилителя включен конденсатор обратной связи, полевой транзистор, усилитель и конденсатор обратной связи образуют обычный зарядочувствительный предусилитель. Цепь импульсной обратной связи содержит последовательно включенные двухпороговую схему (например триггер Шмидта) и расширитель илетульсов, причем вход двухпороговой с::емы соединен с выходом неинвертирующего усилителя, а выход расширителя - со стоком полевого транзистора через обратно смещенный диод 2. Недостаток устройства состоит в сложности его настройки в условиях серийного производства. Цель изобретения - упрощение настройки. Поставленная цель достигается тем что в импульсный усилитель, содержащий последовательно включенные детек тор, полевой транзистор, ограничител операционный усилитель и пороговый элемент, а также конденсатор, подклю ченный между затвором полевого транзистора и выходом операционного усилителя, введен генератор серии импул сов,, вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход - со стоком полевого транзистора. На чертеже представлена структурн я схема импульсного усилителя. Устройство содержит детектор 1, полевой транзистор 2, ограничитель 3 включенный между стбком полевого тра зистора 2 и входом операционного уси лителя 4, конденсатор 5 обратной связи, включенный между затвором полевого транзистора 2 и выходом операционного усилителя 4, пороговый элемент 6 (триггер Шмидта), включенный между выходом операционного усилителя 4, который является выходом усилителя и входом генератора 7 сери выход которого- соединен со стоком по левого транзистора 2, а вход - с выходом порогового элемента 6. Устройство работает следующим образом. Детектор 1, конвертирующий энергию квантов излучения в пропорциональный энергии заряд токовых сигналов, смещен источником напряжения в обратном направлении. Головным элементом усилителя является полевой транзистор 2. Ток затвора полевого транзистора в стационарном состоянии меньше обратного тока детектора. Через полевой транзистор протекает режимный ток, напряжение на стоке полевого транзистора меньше напряжения, при котором возникает ударная ионизация, вызывающая ток затвора. Величины тока полевого транзистора и напряжение на стоке устанавливаются оптимальными с точки зрения минимума шумового вклада, вносимого поле вым транзистором. Сток полевого тран зистора соединен с ограничителем 3, а выход ограничителя 3 соединен с.не инвертирующим входом операционного усилителя 4, при этом сток полевого транзистора и вход операционного уси лителя соединяются гальванически. Ог раничитель 3 предназначен для отключения операционного усилителя 4 от стока полевого транзистора 2 в режиме восстановления заряда на конденсаторе 5 при замыкании петли стоково обратной связи. Ограничитель 3 так же фиксирует потенциал на входе операционного усилителя 4 .для стабилизации его режима с целью уменьшения времени восстановления последнего после отключения петли стоковой обратной связи. Операционный усилитель 4 обеспечивает необходимое петлевое усиление. Конденсатор 5 обратной связи, включенный между выходом операционного усилителя 4 и точкой соединения детектора 1 и затвора полевого транзистора 2, определяет зарядочувствительность усилителя. На нем осуществляется преобразование заряда, поступившего с детектора 1 при регистрации кванта в импульс напряжения. Импульсы напряжения снимаются с выхода операционного усилителя 4. К выходу операционного усилителя 4 подключен пороговый элемент 6 (триггер Шмидта), величины верхнего и нижнего порогов которого определяют границы динамического диапазона выходных сигналов импульсного усилителя. Пороговый элемент 6 управляет генератором 7 серии импульсов, которые подаются в сток .полевого транзистора 2 при замыкании петли . стоковой обратной связи. Параметры серии импульсов - амплитуда, длительность, частота - определяют режим полевого транзистора 2 в процессе восстановления заряда на его входе и могут быть оптимизированы с целью уменьшения длительности процесса восстановления. Под действием индуцированного излучения заряда с детектора 1, а также заряда, накапливаемого на конденсаторе 5 обратной связи под действием разностного тока на.входе полевого транзистора, напряжение на выходе усилителя 4 смещается в сторону положительного потенциала. При достижении верхнего порога порогового элемента б последний срабатывает и запускает генератор 7 серий. Тем самым замыкается петля импульсной стоковой обратной связи и в сток с выхода генератора 7 серии поступает импульс напряжения. Одновременно данный импульс напряжения переводит ограничитель 3 в режим фиксирования 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 максимальный потенциал. Импульсное увеличение напряжения на стоке вызывает ударную ионизацию и рост тока затвора. Возросшим током затвора компенсируется часть заряда на конденсаторе 5 обратной связи, который накопился за рабочий цикл предусилителя. В следующий момент времени импульс с генератора 7 серии заканчивается, ограничитель 3 замыкает гальванический сток полевого транзистора 2 и вход операционного усилителя 4, тем самым восстанавливается режим полевого транзистора 2 и операционного усилителя 4, соответствующий рабочему циклу. На выходе усилителя 4 устанавливается напряжение, обусловленное нескомпенсироваиным зарядом на емкости обратной связи после подачи первого импульса в сток полевого транзистора 2.

Это напряжение превышает нижний порог срабатывания порогового элемента 6, и последний не изменяет своего состояния. Затем в момент времени, определяемый установленной частотой разрядной серии, с генератора 7 серии в сток подается следующий им-пульс, и цикл компенсации заряда на емкости обратной связи повторяется. Порционное уменьшение заряда на конденсаторе 5 обратной связи за интервал длительности разрядного импульса вызывает уменьшение напряжения на выходе предусилителя в течение времени 11аузы. При этом пороговый элемент б не изменяет своего состояния, в момент времени после окончания очередного разрядного импульса напряжение на выходе операционного усилителя 4 становится меньше нижнего порога порогового элемента б. Пороговый элемент б переходит в исходное состояние и блокирует запуск генератора 7 серии. Цикл восстановления заряда на конденсаторе 5 обратной связи до величины, соответствующей нижней границе динамического диапазона выходных сигнало заканчивается и начинается очередной рабочий цикл импульсного усилителя. Поскольку порции заряда, вносимого в процессе восстановления в конденсатор 5 обратной связи при импульсном замыкании стоковой обратной связ малы (определяется напряжением на стоке во временном интервале действия импульса генератора 7 серии и его длительностью), то нижняя граница динамического диапазона выходных сигналов усилителя определяется нижним уровнем порогового элемента б (с точностью до величины изменения напряжения на конденсаторе 5, соответствующего порционному заряду). Малая длительность разрядных импульсов генератора серии практически исключает изменение заряда на конденсаторе 5 обратной связи при поступлении токовых импульсов от детектора 1, индуцированных излучением. Тем самым исключается влияние интенсивности и энергии детектируемого ионизирующего излучения на величину нижней границы динамического диапазона.

Поскольку границы временного интервала цикла восстановления определяются моментами пересечения вы одным напряжением усилителя 4 верхнего и нижнего уровней порогового элемента б, то необходимое число разрядных импульсов определяется их длительностью и частотой серии. Ошибка в установлении необходимого временного интервала восстановления заряда на конденсаторе 5 не превышает длительности одного разрядного импульса, которая может быть выбрана достаточно малой. Отсюда следует,

0 что при оптимизации процесса восстановления усилителя необходимо подбирать только амплитуду разрядных импульсов, необходимое число которых устанавливается автоматически.

5

Таким образом, порционное восстановление заряда на конденсаторе 5 Обратной связи, которое реализуется Подачей серии разрядных импульсов в сток полевого транзистора 2 в режиме

0 восстановления усилителя, позволяет в процессе настройки оптимизировать только амплитуду разрядного импульса, оптимальная длительность серии импульсов устанавливается автоматичес- . ки. Относительная доля длительности

5 времени восстановления усилителя в длительности полного цикла поддерживается необходимо-минимальной, что обеспечивает высокие загрузочные характеристики усилителя. Компенсация

0 заряда, поступившего от детектора в цикле восстановления усилителя, осуществляется автоматически увеличением числа разрядных импульсов.

5

Формула изобретения

Импульсный усилитель, содержавши последовательно включенные детектор, полевой транзистор, ограничитель.

0 Операционный усилитель и пороговый Элемент, а- также конденсатор, подключенный между затвором полевого транзистора и выходом операционного усилителя, отличающийся

5 тем, что, с целью упрощения настройки, в него введен генератор серии йьшульсов, вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход - со стоком полевого транзисто0ра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l.Nucl. Instrura and Meth. vol.71, 1969, p. 273-279.

2. ПТЭ, 1, 1978, c.93-96.