Содержание
-
Лекция №3Зарядочувствительный предварительный усилитель
НИЯУ МИФИ Специальность:140302 – физика атомного ядра и частиц Специализация: микро- и космофизика Дисциплина: Ядерная электроника Группа T07-07 2012/2013 Кафедра №7 «Экспериментальной ядерной физики и космофизики»
-
План лекции
Ядерная электроника. Лекция№3 2/20 - Зарядочувствительный усилитель - Шумы и фильтрация сигналов - Эквивалентный шумовой заряд
-
Зарядочувствительный усилитель
Ядерная электроника. Лекция№3 3/20 Для большинства ППД емкость детектор зависит от Uсм На выходе интегрирующей цепи обычного усилителя Нестабильность ёмкости детектора сильно влияет на сигнал и требует использовать предварительный усилитель с малыми шумами, с применением отрицательной обратной связи.
-
Предусилительс ООС для детекторов с малой ёмкостью
Ядерная электроника. Лекция№3 4/20 Обратная связь реализована через ёмкость Сос и позволяет устранить зависимость от Uсм. Q = Qвх + QосQвх = СвхUвх Qос = Сос(Uвх– Uвых) Uвых = -KUвх Т.к. Свх и Сос одного порядка и усиление велико,то Введение отрицательной обратной связи стабилизирует не только усилительно, но источник сигнала - детектор
-
Ядерная электроника. Лекция№3 5/20 Ёмкость Сос должна иметь высокую стабильность и малую зависимость от температуры. Часто параллельно Сос подключают Rос, которое обеспечивает обратную связь по постоянному току и фактически определяет сопротивление детектора Rд, поэтому τвх=RосCос.
-
Предусилитель с зарядовой обратной связью.
Ядерная электроника. Лекция№3 6/20 Принципиальная схема построенная на базе каскада полевого и нескольких биполярных транзисторов.
-
ЗЧУ для детекторов большой ёмкости.
Ядерная электроника. Лекция№3 7/20 С детекторами относительно большой ёмкости (100 – 1000 пФ) для обеспечения должного быстродействия применяют небольшое сопротивление нагрузки, которое является источником тепловых шумов. В таких случаях используют ЗЧУ, у которого входное сопротивление стабилизируется с помощью последовательной отрицательной обратной связи.
-
ЗЧУ с последовательной ООС
Ядерная электроника. Лекция№3 8/20 Свх = Сд + С`вх , Cос
-
Ядерная электроника. Лекция№3 9/20 В данной схеме применяется две цепи ОС: параллельная Сос и последовательная R1,R2. Холодное сопротивление: На низких частотах фактически является входным сопротивление детектора, имеет хорошую стабильность и регулируется с помощью Сос и С.
-
Шумы и фильтрация сигналов
Ядерная электроника. Лекция№3 10/20 При усилении слабых сигналов детекторов трудности вызывают шумы – случайные флуктуации напряжения, возникающие одновременно с исследуемым сигналом. По происхождению шумы делятся: - помехи (наводки) флуктуации эл. Заряда в транзисторах и деталях. Для удобства шумы оценивают относительно входа усилителя:
-
Контурные (тепловые) шумы.
Ядерная электроника. Лекция№3 11/20 Флуктуации напряжения на зажимах резистора, вызванные тепловыми движениями свободных электронов. Тепловые шумы содержат весь спектр от 0 до ∞. Среднеквадратичное значение шумов: Формула Найквиста Спектральная плотность – распределение энергии по частотному спектру:
-
Контурные шумы
Ядерная электроника. Лекция№3 12/20 В реальной схеме кроме сопротивления нагрузки Rн имеется ёмкость Свх, активная составляющая входной цепи: С увеличением сопротивления нагрузки шумы растут и достигают максимума при: В случаях, когда входное сопротивление должно быть большим, его следует брать 107-108 Ом во избежание повышения шумов
-
Шумы входного тока активного элемента
Ядерная электроника. Лекция№3 13/20 Цепь управляющего электрода активного элемента (транзистора или лампы) является источником шумов, вызванных флуктуациями входного тока iвх. Формула Шоттки Для комплексного входного сопротивления RнCвхшумы напряжения имеют спектральную плотность:
-
Шумы выходного тока активного элемента (дробовый шум)
Ядерная электроника. Лекция№3 14/20 Флуктуации канального тока полевого транзистора. Спектральная плотность: F – коэффициент сглаживания. Дробовый шум удобно приводить к входу схемы и рассматривать как флуктуации выходного напряжения. Для полевого транзистора: Контурные шумы и дробовые равномерно распределены по спектру (белый шум).
-
Фликкер шум
Ядерная электроника. Лекция№3 15/20 У активных элементов также имеется неравномерный фликкер-шум со спектральной плотностью: В линейных импульсных усилителях, имеющих полосу пропускания в области высоких частот, составляющая фликкер-шумов невелика и ею можно пренебречь.
-
Эквивалентная схема входа с источником шумов
Ядерная электроника. Лекция№3 16/20 Для оценки влияния шумов, источник шума заменяют активным сопротивлением, генерирующим тепловые шумы. Контурные и входной шумы заменяют на эквивалентным Rp. Дробовый шум эквивалентен активному сопротивлению На схеме три источника шума заменены на генераторы белого шума:
-
Эквивалентный шумовой заряд и фильтрация простейшими CR-RC цепями
Ядерная электроника. Лекция№3 17/20 При измерении амплитуды стремятся к максимуму соотношения сигнал/шум. При анализе заряда с детектора удобно шум заменять эквивалентным шумовым зарядом: . Выбрав равные τд= τи= τ найдём шумы теплового и входного тока. Тепловые и входной шумы Дробовый шум
-
Ядерная электроника. Лекция№3 18/20 В эквивалентной схеме Rp и Rsимеют разную зависимость от параметров CR-RC цепи, оптимальное соотношение сигнал/шум достигается при: После дифференцирования по τ, находим минимум при: И минимальный шумовой заряд:
-
Экспериментальное определение уровня шумов
Ядерная электроника. Лекция№3 19/20 Методика для таких измерений не должна нарушать нормальную работу детектора, от которого поступает исследуемый сигнал. Для измерения в единицах заряда, нужен импульсный генератор.
-
Ядерная электроника. Лекция№3 2/20 По осциллограмме измеряют отношение выходного сигнал/шум Uш.вых/Uвых Шумовой заряд
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.