66 4..3. Przedwzmacnacze ładunkowe. Przedwzmacnacz ładunkoczuły, otoczne zwany ładunkowym, zalcza sę do kategor oeracyjnych wzmacnaczy całkujących. Jego funkcjonalnym zadanem jest uformowane w odowedz na wejścowy muls I (t) sygnału naęcowego o (t) o amltudze roorcjonalnej do ładunku Q nesonego rzez muls wejścowy. Można go zatem zdefnować jako całkujący konwerter rądowo-naęcowy, lub krócej, jako mulsowy konwerter ładuneknaęce. harakterystykę rzejścową tego rodzaju wzmacnacza w zakrese lnowym określa wsółczynnk konwersj nazywany z reguły wzmocnenem ładunkowym k q. Jest to odstawowy arametr znamonowy wzmacnacza ładunkowego. Z mocy defncj wyraża go stosunek wartośc maksymalnej odowedz o max do wymuszena ładunkowego Q. k q o max (66) Q Wyznaczymy go na odstawe ogólnego schematu konwertera rądowo-naęcowego okazanego na rysunku 5, oraz sformułujemy wymagana wobec zewnętrznej sec wzmacnacza oeracyjnego warunkujące ełnene założonej funkcj. Z I I x - k v I I D x Z o ys.5. Ogólny schemat konwertera rądowo-naęcowego. Dla uroszczena analzy rzyjmjmy, że wzmocnene wzmacnacza oeracyjnego w otwartej ętl jest nezależne od częstotlwośc tj. [ () = ]. Wówczas zesół równań oeratorowych osujących układ rzyjme formę I I I (67) 0 X o (68) X I Z (69) I Z o (70) (7) X
67 ozwązanem owyższego układu równań jest zależność o I (7) Y Y Y gdze Y () oraz Y () oznaczają odowedno admtancję obwodu wejścowego oraz ętl srzężena zwrotnego. Netrudno zauważyć, że dla uzyskana lnowego zwązku mędzy odowedzą wzmacnacza a dorowadzonym na jego wejśce ładunkem, otrzeba aby admtancje Y () oraz Y () mały charakter ojemnoścowy. W takm rzyadku, gdy tworzą je wyłączne ojemnośc równane (7) srowadza sę do ostac o I (73) gdze erwszy człon równana rerezentuje scałkowany muls rądowy, czyl nesony rzezeń ładunek. Przedwzmacnacz o takej strukturze (ys. 5) rzyjęto w raktyce nazywać rzedwzmacnaczem z bezrezystywną ętlą srzężena zwrotnego lub wzmacnaczem bezrezystywnym. I x - k v I D x o ys.5. Schemat bezrezystywnego wzmacnacza ładunkowego Analzę układu uzuełnjmy dodatkowym założenem ż rądowy muls wejścowy I (t) jest dostateczne krótk, tak ż można go traktować jako muls quas-drakowsk. Pamętając nadto, że źródłem sygnału wejścowego jest detektor romenowana jądrowego, czyl że I (t) I D (t), możemy nasać a w konsekwencj I t I t Q t (74) D I Q (75) Oeratorową funkcję odowedz rzedwzmacnacza wyraz w tym rzyadku równane Q o (76)
68 W dzedzne czasu otrzymujemy zatem o t Q Q (77) Na ładunkowe wymuszene drakowske układ odowada heavsde owskm skokem naęca wyjścowego o ozome wyznaczonym rzez równane (77). Wzmocnene ładunkowe (czułość ładunkowa) wyraz sę rzeto rostą zależnoścą k q (78) Detektor w warunkach normalnej racy generuje stochastyczny cąg mulsów rądowych o średnej częstotlwośc zależnej od natężena merzonego romenowana. Odowedzą rzedwzmacnacza na ten cąg mulsów rądowych jest narastająco schodkowo naęce na jego wyjścu, wynkające z akumulacj ładunku w ojemnośc srzężena zwrotnego. Efekt ten oglądowo okazuje rysunek 53. I t o t ys.53. Przebeg sygnału wejścowego wyjścowego bezrezystywnego wzmacnacza ładunkowego Jak łatwo zauważyć, wzmacnacz w takch warunkach osąga rychło stan nasycena, wymaga węc okresowej restytucj (tj. rozładowana ojemnośc ) rzy omocy dodatkowych układów wsomagających. Wolnym od owyższego efektu jest układ z rezystywną ętlą srzężena zwrotnego, w którym dla umożlwena cągłego sływu ładunku z ojemnośc wrowadzono do ętl srzężena zwrotnego bocznkujący ją rezystor (ys. 54). I =I D x - k v I D x o ys. 54. Schemat wzmacnacza ładunkowego z rezystywną ętlą srzężena zwrotnego.
69 W tej wersj układowej, dla ogólnośc analzy, wrowadzono równeż analogczny uust do gałęz równoległej. Admtancje obu gałęz wynoszą węc odowedno Y (79) Y (80) gdze oraz ładąc te zależnośc do ogólnej formuły (7) otrzymujemy o Q (8) Uzyskane wyrażene daje sę rzekształcć do bardzej dogodnej ostac, a manowce b Q o (8) rzy czym b (83) Orygnał funkcj oeratorowej (8) osuje czasowy rzebeg odowedz wzmacnacza bt t o ex max (84) gdze o Q Q max (85) ównane owyższe określa w rostej relacj wsółczynnk wzmocnena ładunkowego. Łatwo sostrzec, ze formuła (85) okrywa sę tożsamoścowo z formułą (77) uzyskaną dla rzedwzmacnacza bezrezystywnego. Wdać stąd, że wrowadzone do struktury zewnętrznej rezystancje ne mają wływu na wzmocnene ładunkowe k q wzmacnacza. Uwdaczna sę on natomast w forme odowedz oraz charakterze medancj (admtancj) wejścowej. ysunek 55 lustruje w uroszczenu rzebeg odowedz wzmacnacza z rezystywną ętlą srzężena zwrotnego na cąg wejścowych, quas-drakowskch mulsów rądowych. Porównane z rysunkem 53 ne wymaga dodatkowego komentarza. Imedancja wejścowa Z stanow kolejny, ważny arametr znamonowy rzedwzmacnacza ładunkowego. Ogólną, wsólną dla obu wersj układowych formułę, określającą ten arametr, wyznaczymy z równań (7) (7) wążących naęce wejścowe X z rądem I.
70 Proste rocedury oblczenowe rowadzą do wyrażena Y Y I Z X (86) Alkuąc je do obu konfguracj rzedwzmacnaczy otrzymujemy odowedno dla rzedwzmacnacza z ętlą bezrezystywną Z (87) dla rzedwzmacnacza z ętlą rezystywną Z (88) W erwszym rzyadku medancja wejścowa ma charakter czysto urojony, zaś determnująca ją dynamczna ojemność wejścowa dyn wynos dyn ) ( (89) W rzyadku drugm medancja wejścowa ma nezerowe obe składowe: rzeczywstą oraz urojoną. Wynoszą one odowedno (90) oraz (9) Na wejścu tej konfguracj dzała węc efektywne obwód nercyjny erwszego rzędu o stałej czasowej równej (9) t I t o ys. 55. Przebeg sygnału wejścowego wyjścowego rezystywnego wzmacnacza ładunkowego.
7 ormuła (78)bezośredno, ośredno zaś formuły (77) (85) okazują, że rzy sełnenu warunku >> czułość ładunkowa wzmacnacza ne zależy od ojemnośc równoległej. Jest to bardzo cenna właścwość wzmacnacza, zważywszy że domnującym składnkem ojemnośc jest ojemność własna detektora D, slne zależna od naęca jego olaryzacj S. Ogólne ostawony warunek na wartość wsółczynnka wymaga loścowego uścślena. Srowadza sę ono do ustalena mnmalnej wartośc wsółczynnka wzmocnena w otwartej ętl mn, zaewnającej osągnęce dobrej ładunkoczułośc wzmacnacza, to jest, newrażlwośc względnego wzmocnena ładunkowego na zmany ojemnośc wejścowej. Warunku, według których określana jest wartość mn, noszą nazwę kryterum zachowana ładunkowośc. Zauważmy, że dla określonej, stałej wartośc ładunku wejścowego Q nekontrolowane zmany wzmocnena ładunkowego owodują odowedne zmany ozomu sygnału wyjścowego. W termnach wartośc względnych tych zman relację tę wyraża równość dk d q o (93) k Q const q o Względną nestałość wzmocnena ładunkowego łatwo wyznaczyć z równana (78) d (94) Dla realne stosowanych wartośc rzędu (0 0 3 ) wyrażene owyższe można uroścć do ostac d (95) ormalne rzekształcene formuły (95) rowadz do jawnego ukazana zależnośc od względnych zman ojemnośc. d d d (96) ES W równanu tym wrowadzono nowy arametr znamonowy ES = ( / ), któremu nadano mano zaasu wzmocnena. Dla osągnęca założonej rozdzelczośc amltudowej względna nestałość amltudy sygnału wyjścowego ne może rzekroczyć ścśle określonego ozomu do, czyl d o do (97) o do Nałożony na arametr warunek rzy uwzględnenu relacj (95) rowadz do zależnośc kryteralnej, określającej mnmalną wartość wzmocnena naęcowego mn. d d o mn (98) o do
7 Zlustrujmy uzyskaną zależność rzykładem lczbowym. Nech douszczalna wartość względnych zman amltudy wynos do = 0.00 (0,%), ojemność ętl ładunkowej =, ojemność równoległa =5 00, a jej wahana d = 0. Mnmalna wartość wzmocnena mn będze wówczas równa mn = 50 3, natomast zaas wzmocnena wynese ES = 0. W zesole arametrów znamonowych wzmacnacza ładunkowego godnym szczególnej uwag jest wsółczynnk jego stablnośc termcznej S T. Według defncj osuje go formuła dkq ST (99) k dt q W analze tego arametru skorzystamy ze zmodyfkowanej ostac równana (78) determnującego wzmocnene ładunkowe k q, a manowce k q (00) T gdze symbolem T oznaczono sumę ojemnośc ( + ). Uwzględnając sełnane w raktyce nerównośc >> oraz >> ( T / ), metodą ochodnej logarytmcznej dochodzmy do wynku kq T T ST (0) kq T T T T T T złon w nawase kwadratowym mnożony jest rzez czynnk znaczne mnejszy od jednośc, można go zatem zanedbać wobec członu erwszego. Innym słowy, w rzyadku dostateczne dużej wartośc równane (0) redukuje sę do ostac ST TW (0) T wskazującej na bardzo stotną własność wzmacnacza ładunkowego, uzależnena jego stablnośc termcznej nemal wyłączne od charakterystyk termcznej ojemnośc w ętl ujemnego srzężena zwrotnego. Wsółczesna technologa oferuje kondensatory nawet o zerowej wartośc wsółczynnka temeraturowego (TW). Są to kondensatory ceramczne z tytananu magnezu, tzw. klasa NPO, o wartośc katalogowej TW = (+0 5) 0-6 / 44. W rzyadku użyca tego tyu kondensatorów znaczącym członem w równanu (0) okazuje sę człon drug, charakteryzujący sę na ogół dodatnm dryfem termcznym. Dlatego też w raktyce korzysta sę z kondensatorów ceramcznych klasy N o ujemnej wartośc wsółczynnka temeraturowego. U odstaw uroszczonej analzy rzyjęlśmy założene o nezależnośc wzmocnena naęcowego struktury aktywnej (wzmacnacza oeracyjnego) od częstotlwośc. Zrezygnujmy teraz z tak daleko dącego uroszczena, zastęując go rzyblżenem rostego układu dolnorzeustowego o górnej częstotlwośc grancznej g. g 0 (03) g
73 Dla rzejrzystośc oblczeń odneśmy je do konfguracj z bezrezystywną ętlą ładunkową wrowadzając zależność (03) do równana (76) 0 g Q Q T o (04) g T 0 g g 0 T Wrowadźmy z kole oznaczene g 0 (05) T Wobec tego równane (04) możemy zasać w bardzej dogodnej dla óźnejszej transformacj forme 0 g o Q (06) T W dzedzne czasu otrzymujemy węc Q 0 g t 0 t o t e Q e (07) T T 0 Uzyskane wyrażene ukazuje kształt czoła odowedz, które narasta wykładnczo ze stałą czasową r równą T T r (08) g T g 0 Z tej zależnośc łatwo już (według kryterum q0 90% amltudy) wyznaczyć kolejny, odstawowy arametr znamonowy wzmacnacza ładunkowego, to jest czas narastana odowedz - t n. T tn, (09) g T Zastosowane wzmacnacza ładunkowego w systemach sektrometrycznych bardzo wysokej rozdzelczośc jest w zasadnczy sosób uwarunkowane ozomem generowanych w nm zakłóceń fluktuacyjnych zwanych ogólne szumam. Wrowadzają one określoną neoznaczoność amltudy mulsu wyjścowego określaną manem rozmyca szumowego. Za marę tej neoznaczonośc rzyjęto Średne odchylene standardowe rozkładu amltudowego mulsów wyjścowych stanowących odowedź na cąg monoładunkowych wymuszeń wejścowych. W raktyce wększą oularność zyskał altenatywny arametr globalny WHM, odający ełną szerokość tego rozkładu na ozome ołowy jego wysokośc (full wdth at half maxmum). zasam jest on oznaczany równeż symbolem /. W rzyadku rozkładu normalnego (gaussowskego) WHM zwązane są relacją 0 0 WHM =,335 (0) Parametr ten może być wyrażony w jednostkach welkośc wyjścowej (woltach śr.kw.) bądź wejścowej (kulombach śr.kw.), a uwzględnając konwersję sygnału w detektorze, w jednostkach energ romenowana jonzującego (elektronowoltach). Otrzymywane na wyjścu
74 wzmacnacza ładunkowego sygnały: nformacyjny szumowy są modyfkowane rzez jego rzeustowość wdmową. W szczególnośc, ogranczone od góry asmo rzenoszena wzmacnacza efektywne tłum szumy w zakrese wysokch częstotlwośc, ne zaewna jednak otymalnego stosunku sygnału do szumu (SN). Dla osągnęca tego celu nezbędne jest wrowadzene w tor sygnałowy dodatkowych obwodów kształtujących. Stanową je różnego rodzaju fltry asmowo-rzeustowe 45. W oblczenach rozmyca szumowego za sygnały wyjścowe uważać będzemy sygnały odberane z wyjśca układu fltrującego. Przedstawony na rysunku 54 zastęczy schemat szumowy wzmacnacza ładunkowego zawera w konsekwencj równeż stoeń fltracj sygnału [(j)]. I D(t) = Q (t) x S - k v y (j) o(t) + D I P d< No> df ys.56. Zastęczy schemat szumowy wzmacnacza ładunkowego Schemat zastęczy wyodrębna z rzeczywstej struktury wzmacnacza dwa źródła szumów, szeregowe źródło naęcowe S, oraz równoległe rądowe I, lokując je na wejścu układu. Zauważmy, że obydwa źródła szumów tkwą fzyczne wewnątrz struktury aktywnej wzmacnacza, rzy czym traktując je jako źródła dealne źródło rądowe można sytuować zarówno o rawej jak o lewej strone źródła naęcowego. Obu wyróżnonym źródłom rzysuje sę gęstośc wdmowe mocy szumów według formuł () (). di źródła rądowego P a () df ds A źródła naęcowego b () df f gdze a b oznaczają szumy nezależne od częstotlwośc [ szum bały ], zaś A jest stałą charakteryzującą szum nadmarowy [ szum (/f) ] 46, 47. Na wyjśce wzmacnacza (unkt y ) szum źródła rądowego transmtowany jest z kwadratem modułu wzmocnena ładunkowego [k q ()]. dpy a (3) df T Względem źródła szumu szeregowego wzmacnacz oeracyjny racuje w trybe naęcowym z ojemnoścowym dzelnkem ( - T ) w gałęz ujemnego srzężena zwrotnego. Moduł jego funkcj rzenoszena określony jest zależnoścą T (4) T Gęstość wdmowa mocy szumów szeregowy na wyjścu wzmacnacza będze węc równa d df Sy A b f T T (5)
75 Globalny szum wzmacnacza o rozkładze wdmowym rerezentowanym rzez sumę wyrażeń (3) (5) ulega dalszej modyfkacj w stonu fltracj sygnału. Przyjmjmy, że stanow go rosty środkowo-rzeustowy fltr asywny - o dentycznych wartoścach stałych czasowych ( d = = ). Moduł rzeustowośc takego fltru f (j) wynos f (6) Przy owyższych założenach gęstość wdmowa mocy szumu na wyjścu fltru rzyjme formę d df o a T b A f T T (7) Uorządkowane scałkowane równana (7) w grancach od zera do neskończonośc rowadz do wyrażena na warancję szumu wyjścowego. a b A T 8 8 No (8) T Tym samym określlśmy równeż wartość średną kwadratową naęca szumów No rms =. Wrowadzmy obecne alternatywny arametr określający ozom szumów wzmacnacza. Jest nm tak zwany równoważny ładunek szumów EN (ang.. equvalent nose charge ). Defncja określa go jako tak ładunek Q N, który wrowadzony na wejśce wzmacnacza w ostac rądowego mulsu drakowskego I (t)=q N (t), daje odowedź naęcową o wartośc maksymalnej o max, równej średnej kwadratowej wartośc naęca szumów No rms. Ładunek Q N rzenoszony jest na wyjśce układu rzedwzmacnacz fltr asmowy z erwszą otęgą jego globalnej transmtancj, równej k Odowedź oeratorowa na wymuszene Q N (t) wynese tot q f (9) o QN (0) T W dzedzne czasu otrzymujemy węc zależność o t QN () e T W chwl t = funkcja owyższa osąga maksmum o max o max QN () e T
76 Na grunce defncj równoważnego ładunku szumów możemy rzyrównać warancję szumów według zależnośc (8) do kwadratu naęca wyjścowego o max (Q N ) osanego równanem (). W wynku rostych rzekształceń, kładąc w rzyblżenu [e = 8], otrzymujemy b EN Q 4 N a T A T (3) ównoważny ładunek szumu ne daje sę wyznaczyć na drodze ojedynczego omaru bezośrednego *). W rosty sosób można natomast dokonać omaru wartośc średnokwadratowej szumów No rms. Zarezentowane wyżej zależnośc ozwalają określć wzajemną relację tych arametrów, która dla rzyjętego rodzaju fltru rzybera ostać e EN No rms (4) kq Parametry a b kryją w sobe zesół gęstośc wdmowych mocy szumów bałych ochodzących od konkretnych ch źródeł, zawartych w danej konfguracj wzmacnacza. W uroszczonej analze uwzględna sę zwykle, jako najbardzej znaczące, źródła zlokalzowane bezośredno na wejścu wzmacnacza. Do gruy źródeł równoległych zalczane są węc szumy śrutowe rądu detektora rądu bramk JET a lub satk lamy elektronowej, a także, srowadzone do ostac rądowej, szumy termczne (naęcowe) generowane w rezystorach obwodu olaryzacj stona wejścowego. 4k T 4k T a q I D q IG (5) G Składową szeregową rzedstawa sę zwykle jako szum termczny ekwwalentnej rezystancj szumowej eq. b 4k T eq (6) rzy czym, zależne od rodzaju wejścowego elementu aktywnego, eq rzybera różne wartośc. Wynoszą one w rzyblżenu 46. dla lam elektronowych eq =,5/g m dla tranzystorów bolarnych eq = 0,5/g m dla tranzystorów olowych eq = 0,7/g m Wsółczesne rozwązana układowe rzedwzmacnaczy ładunkowych w stonu wejścowym stosuję wyłączne tranzystory olowe. W wersj z bezrezystywnym srzężenem zwrotnym, jej szumy równoległe redukują sę tylko do składowych śrutowych, natomast w układach z ętlą rezystywną dodatkowy wkład szumowy wnos nadto jedyne rezystor. Dla takego rzyadku równane (3) można zasać w forme,8kt 4kT T gm T EN 4 A qi I D G (7) ukazującej możlwośc otymalzacj szumowej układu. ozważmy, dla rzykładu, strukturę erwszego członu owyższej zależnośc. Zwraca w nej szczególną uwagę transkonduktancja tranzystora olowego g m.. W kontekśce formuły (7) należy doberać tranzystory o jak *) W dodatku H zostały omówone, zalecane rzez normy mędzynarodowe, metody omaru odstawowych arametrów znamonowych rzedwzmacnaczy ładunkowych.
77 najwększej wartośc g m. Możlwe jest jej zwelokrotnene rzez użyce układu klku, ołączonych równolegle tranzystorów, sosób ten okazuje sę jednak efektywnym tylko w rzyadku wsółracy z detektoram o dużej ojemnośc własnej. zynnkem ogranczającym jego skuteczność jst równoczesny wzrost ojemnośc wejścowej ( GS ) n struktury welotranzystorowej. Właścwość tę wykażemy rozsując odowedno erwszy składnk wyrażena na (EN). EN,8kT ngs D (8) n gm unkcja ta osąga mnmum dla n = n ot wynoszącego D not (9) GS Wdać stąd, że w rzyadku gdy ( D + ) jest orównywalne z ojemnoścą GS zastosowane tylko jednego tranzystora olowego na wejścu wzmacnacza zaewna mnmum jego wkładu szumowego. ormuła (7) uwdaczna równeż nezależność składowej (EN) uwarunkowanej szumem nadmarowym od wartośc stałej czasowej. Składowa ta w oczywsty sosób zależy jednak od rodzaju fltru. Jej względny udzał w globalnej wartośc (EN) dla klku odman fltrów asywnych, w warunkach fltracj otymalnej odaje Tablca I 48, 49. Tablca I ltr - -() -() 4 () -() 4 udzał A / A /4 A /8 A /40 Trzeba dodać, że ze względu na bardzo małe wartośc wsółczynnka szumów nadmarowych (A <0 - ), w uroszczonej analze szumowej jest on na ogół zanedbywany. W synteze wzmacnaczy ładunkoczułych referowane są stosunkowo roste konfguracje układowe. W ch strukturze można wydzelć dwe sekcje funkcjonalne sekcję ładunkową oraz sekcję wyjścową. Sekcja ładunkowa wykonywana jest z reguły w tzw. wersj krótkej zaewnającej wysoką wartość medancj wejścowej oraz stałość wzmocnena 80-co stonowe rzesunęce fazowe w bardzo szerokm aśme częstotlwośc. Sekcję wyjścową stanow natomast rosty lub złożony układ wtórnkowy o nskej medancj wyjścowej. Datowany na konec lat 50-tych oczątek ery detektorów ółrzewodnkowych stanow równeż cezurę szerokego uowszechnena towarzyszącego mu rozwoju rzedwzmacnaczy ladunkoczułych. Na rzestrzen mnonych lat oracowano wele różnych układów wykorzystujących dostęne naówczas elementy aktywne, od lam elektronowych oczynając, orzez tranzystory bolarne, aż o tranzystory olowe złączowe z zolowaną bramką. erezentatywnym rzedstawcelem technk lamowej jest układ według rojektu hase, Hgnbothama Mllera 50. Schemat tej konfguracj rzedstawa rysunek 57. Jej sekcja ładunkowa zawera kaskodowy stoeń wejścowy oraz stoeń entodowy, objęte wsólną ojemnoścowo-rezystywną ętlą ujemnego srzężena zwrotnego. Dodatkowe, lokalne dodatne srzężene zwrotne boostrauje oorność obcążena kaskody, odnosząc w rezultace
78 wzmocnene naęcowe tej sekcj (w otwartej ętl) do ozomu = 0 3. 40 70k 0. 5k 4k 5k 404A 7k5 0 +400 00k 0k 47A 47 745 0. 40 404A WE 0.5 47A = 5 0k 0.5 0. 0. 44M 50k k k 0k 0.5 5k 50 ys.57. Schemat deowy lamowej wersj rzedwzmacnacza ładunkoczułego 50 Dzęk użycu w stonu kaskodowym trod (ty WE 47A), w warunkach rostej fltracj - ze stałą czasową = s, uzyskano rozmyce szumowe WHM = 5 ke + 70 e/. Dzałanem bootstrangu objęty został równeż obwód satk ekranującej entody tej sekcj, odwyższając w efekce wartość jej medancj wyjścowej do ozomu ne zezwalającego na bezośredne odłączene do kabla transmsyjnego. Pożądane doasowane do nskej medancj kabla zaewna sekcja wyjścowa rzedwzmacnacza zrealzowana w konwencjonalnym układze wtórnka entodowego. ysunek 58 rzedstawa fragment rzedwzmacnacza hybrydowego wykorzystującego zarówno różnowe jak ółrzewodnkowe elementy aktywne 5. Jest on wyrazem tendencj POL.DETET. +50 DETETO TEST 0.5 500M 0.0 0. 70 0n 0. E000 3k3 6k8 33 47n N3493 N3493 +4 0 8 36 30 k N904 M n 0n 8k 5k 390 +4 + -4 ys. 58. Schemat hybrydowej sekcj ładunkowej rzedwzmacnacza Gouldnga 5.
79 relkowana struktur lamowych w ółrzewodnkowej technce bolarnej. W celu omnęca trudnośc w realzacj stona wejścowego o wymaganych własnoścach (duża medancja wejścowa, szeroke asmo rzenoszena, nsk ozom szumów) zastosowano stoeń lamowy na trodze E-000. Tworzy ona wsólne z erwszym z kole tranzystorem hybrydowy układ kaskodowy. Drug tranzystor tej sekcje racuje w układze wtórnka emterowego. Jego sygnał wyjścowy rzekazywany jest do dalszych sekcj rzedwzmacnaczam (ne uwdocznonych na schemace) oraz do dwóch gałęz srzężena zwrotnego: ujemnego, obejmującego całą sekcję ładunkową, oraz dodatnego (lokalnego) dla boostrangu rezystorowego obcążena kaskody. Ze względu na różne ozomu naęć zaslana częśc lamowej częśc tranzystorowej, rozdzelono je galwanczne, włączając w tor transmsj sygnału w rzód oraz w obwód srzężena zwrotnego, odowedne ojemnośc searujące. Uwarunkowana rozmycem szumowym rozdzelczość energetyczna omawanego rzedwzmacnacza (odnesona do detektora krzemowego) rzy ojemnośc wejścowej T =0 stałych czasowych fltru = d = 0,8 s, wynosła (WHM) S =,8 ke. Ilustracją dążnośc do oracowana rzedwzmacnacza z wyłącznym użycem tranzystorów bolarnych jest układ według rojektu Zlchala 5. Jego konfgurację rzedstawono na rysunku 59. W stonu wejścowym zastosowano równeż kaskodę, w której mejsce lamy e- 00k N697 0k N967 0. +6 47k 0. 5 560k 5k6 WE x N697 ys.59. Schemat rzedwzmacnacza ładunkowego na tranzystorach bolarnych 5. lektronowej zajął złożony wtórnk emterowy suer-alfa. Wsółracuje z nm stoen O. srzężony bezośredno z wyjścowym stonem arafazowym. Pod względem własnośc szumowych układy na tranzystorach bolarnych wyraźne ustęują ch odowednkom lamowym, dając w warunkach otymalnej fltracj do 3-krotne wększe wartośc rozmyca szumowego 53. Dla ch uzyskana koneczna jest jednak odowedna selekcja tranzystorów według kryterum maksymalnej wartośc 0 f rzy jak najmnejszym rądze kolektora I. amenem mlowym na drodze rozwojowej rzedwzmacnacz ładunkoczułych okazały sę złą-czowe tranzystory olowe. Postę technologczny jak dokonał sę w tej dzedzne w latach ęćdzesątych, zaowocował udanym realzacjam JET ów o bardzo atrakcyjnych arametrach użytkowych. Perwsze rozwązana rzedwzmacnaczy ładunkowych strukturalne rzyomnające zresztą układy lamowe owstały w laboratorach amerykańskch z oczątkem lat sześćdzesątych. Zalcza sę do nch rzede wszystkm onerske oracowane adek z NL (rookhaven Natonal Laboratory) 54. Schemat tego rzedwzmacnacza rzedstawono na rysunku 60.
80 0k 00 +35 0. 00k SP40 50k N5 0. 6k8 + ol N5 50k 0n 560k 0. SP40 5k DETETO 000M M TEST 0n 40k 0n. 5k ys. 60. Schemat rzedwzmacnacza ładunkowego z kaskodą wejścową na złączowych trasnzystorach olowych według adek 54. W stonu wejścowym zawera on kaskodę, wykonaną na dwóch dentycznych tranzystorach olowych z kanałem n (ty SP-40). ezystor obcążena kaskody objęty jest dzałanem dodatnego srzężena zwrotnego (bootstrangu) z emtera wtórnka wyjścowego. Tranzystor ośredn racuje w konfguracj zaożyczonej z wersj lamowej hase a wsółracownków. Podstawowa ętla ujemnego srzężena zwrotnego jest odzzelona na dwe gałęze równoległe: mulsową orzez ojemność oraz restytucyjną za ośrednctwem sec rezystorowo-ojemnoścowej rzywracającą stablzującą stan soczynkowy kaskody. Stosunkowo nska transkonduktancja użytych w układze tranzystorów olowych (g m = 0, ma/) ograncza możlwośc zastosowana wzmacnacza jedyne do wsółracy z detektoram o bardzo małej ojemnośc własnej. Ekwwalentne (odnesone do detektora krzemowego) rozmyce szumowe, rzy wartoścach T = 4 oraz stałych czasowych fltru d = = s, wynosło (WHM) S = ke z 500-elektronowoltowym rzyrostem na wzrostu ojemnośc wejścowej. Lteratura rzedmotu zawera wele oracowań tej klasy rzedwzmacnaczy, o bardzo odobnych na ogół sekcjach ładunkowych. óżnce dotyczą z reguły sekcj wyjścowej oraz tyu użytego tranzystorowa olowego. Ilustrują je, wybrane dla rzykładu, rozwązana układowe lalocka (OA IDGE) 55 OAZ oante (SN-ASAIA) 56. Obydwa rozwązana stosują na wejścu stone kaskodowe tyu JET-tranzystor bolarny. Szczegółowe odmennośc konfguracyjne wynkają z rzyjętych, różnych sosobów zaslana. Zasadnczo różne są natomast ch sekcje wyjścowe. óżne są równeż tyy tranzystorów olowych. W szczególnośc, we wzmacnaczu lalocka zastosowano ty N500 o transkonduktancj g m =,5 ma/. We wsólnym obwodze zaslana tranzystorów: olowego bolarnego, włączono regulowany rezystor (00k) umożlwający nastawene otymalnej, z unktu wdzena własnośc szumowych, wartośc soczynkowej rądu drenu JETa. Stoeń wyjścowy wykonano w konwencjonalnym układze wtórnka Whte a. Z jego wyjśca sygnał kerowany jest do ętl ujemnego dodatnego srzężena zwrotnego oraz rzekazywany do dalszych ston wzmacnających za ośrednctwem rostego obwodu różnczkującego o stałej cza-
8 sowej d = 33 s. Pełn on funkcję refltru osłabającego wstęne szumy w aśme nskch częstotlwośc. ysunek 6 rzestawa schemat deowy omawanego układu. Zaznaczono na 0.47 0k 0 7k N835 k k 0.47-9 WE N500 0.47 5k6. N084 x N6500 Pomar I D 500 00 33k. 500 00 8k5 N084 0n 3k3. 500 k 000 M ys. 6. Schemat rzedwzmacnacza ładunkowego według lalocka 55. nm dodatkowe wyjśce (z rezystora 00 w obwodze źródła tranzystora olowego) dla kontrol wartośc rądu drenu. Ze względu na sosób zaslana układu (z jednego tylko źródła naęca), dla uzgodnena otencjałów soczynkowych wejśca wyjśca, w obwód źródła JET a włączono łańcuch dod zenerowskch. Wzmacnacz odznacza sę umarkowanym rozmycem szumowym. W warunkach krogenzacj (T = 5 ), oraz fltracj ze stałą czasową d = = 6 s rzy wejścowej ojemnośc wewnętrznej T = 5, szerokość ołówkowa rozmyca szumowego w rzelczenu na detektor krzemowy, wynos (WHM) S =,55 ke, a wzmocnene naęcowe w otwartej ętl ( ) T=5 = 400. ezerwa wzmocnena w tym rzyadku wynos węc 56. W temeraturze okojowej wartośc tych arametrów wynoszą odowedno (WHM) S =,9 ke, = 800 zaś res = 3. Zaletą układu jest nska wartość ojemnoścowego rzyrostu WHM ne rzekraczająca ozomu 60 e/. Struktura blokowa rzedwzmacnacza według rojektu oante jest taka sama jak układu lalocka. Jego schemat deowy rzedstawa rysunek 6. askodę tworzą w tym rzyadku +4 5k 50 0. k 00 ONT 0. 50 0 N383 DŁ H T 8k N3964 * 8k N3964 T 3 k7 N484 T 4 330 470 50 T 5 N3505 0. WE n. 0 8 T 50 8k 0. 8k 5k6 k7 00 00-4 50 0. ys.6. Schemat rzedwzmacnacza ładunkowego według oante 56
8 tranzystor olowy (N383) o transkonduktancj g m =,5 ma/ oraz etaksjalny tranzystor lanarny (N3964). W obwód olaryzacj kaskody w szereg z obcążenem dławkowym włączono otencjometr dla regulacj rądu soczynkowego drenu. Oorność obcążena tego stona jest bootstraowana rzez układ wyjścowy obejmujący w kaskadze rosty wtórnk emterowy (N3964) dwustonowy wzmacnacz o wzmocnenu jednostkowym, wykonany na tranzystorach komlementarnych (N484 N3505). Układ jest zaslany symetryczne naęcam 4 / W temeraturze okojowej (93 ) jego wzmocnene w otwartej ętl wynosło = 500, natomast wnoszone rzezeń rozmyce szumowe rzy ojemnośc wejścowej T = 6 oraz fltracj tyu - ze stałą czasową =,6 s kształtowało sę na ozome (WHM) S =, ke + 35 ev/. Dyskutując strukturę formuł (3) (7) zwróclśmy uwagę na szkodlwy skutek obecnośc rezystancj oraz/lub G w obwodze wejścowym wzmacnacza. Wyraża sę on ogorszenem energetycznej zdolnośc rozdzelczej sowodowanym szumam termcznym tych rezystorów. Ukazany w owołanych formułach kształt zależnośc tych szumów od wartośc rezystancj wytycza zarazem drogę ch mnmalzacj. Jest ną manowce stosowane rezystorów możlwe jak najwększych wartoścach. ezystory wysokoomowe (rzędu ggaomów) wykazują jednak slny sadek obu składowych ch medancj w zakrese częstotlwośc owyżej aru khz, wskutek czego ch wkład szumowy w tym aśme staje sę znaczący. Zależność ę dla składowej rzeczywstej lustruje rysunek 63 59. [M] 000 800 600 400 00 f [khz] 0..0 0 00 ys. 63. harakterystyka częstotlwoścowa rezystorów wysokoomowych 59 Na tym grunce zrodzła sę myśl raktycznej realzacj, rozważanej urzedno tylko teoretyczne, wersj rzedwzmacnacza ładunkowego ne zawerającego żadnych rezystancj łączących sę bezośredno z jego gorącym unktem wejścowym. Ta klasa rzedwzmacnaczy zwana jest owszechne układam z ętlą bezrezystywną. urzlwy ch rozwój nastął z oczątkem lat 70-tych, owocując welu orygnalnym koncecjam cągłego lub okresowego rzywracana stanu soczynkowego sekcj ładunkowej. Wększość tych oracowań to realzacje jednostkowe lub małoseryjne, będące wyrazem oszukwań rozwązań otymalnych zarówno od względem rozdzelczośc energetycznej jak czasowej. Do rodukcj fabrycznej zakwalfkowały sę, jak dotąd, dwa układy bezrezystywne: rzedwzmacnacz ze srzężenem otoelektroncznym (oto-electronc feedback) oraz rzedwzmacnacz z kluczem tranzystorowym (transstor-reset reamlfer) 57, 58.
83 Perwsza w ełn dojrzała realzacja rzedwzmacnacza bezrezystywnego oarta była na koncecj cągłego srzężena otoelektroncznego 59. Zasadę jego dzałana lustruje uroszczony schemat funkcjonalny rzedstawony na rysunku 64. Uwarunkowane welkoścą - ol ET DETETO ętla elektryczna o OT ętla otyczna S LED OTODIOD DIODA ELETO- LUMINESENYJNA LED + ol ys. 64. Schemat funkcjonalny wzmacnacza ze srzężenem otoelektroncznym ładunku gromadzonego w ojemnośc, naęce wyjścowe o wymusza w gałęz dody elektrolumnescencyjnej (LED Lght Emttng Dode) rzeływ rądu o natężenu o LED (30) S W ogólnym rzyadku rąd dody elektrolumnescencyjnej natężene generowanego rzez ną strumena śwetlnego zwązane są zależnoścą nelnowa. W zakrese małych natężeń rądu zależność tę można jednak z zadowalającym rzyblżenem osać funkcją lnową 60,6. (3) LED LED Lnowy czarakter ma równeż zależność rądu fotodody od ośwetlena. W rozważanym rzyadku zaszemy ją w forme (3)ojarząc wyrażena (303) otrzymujemy zwązek OT LED o o OT res (33) S S Skutek dzałana ętl otycznej wyraża sę węc rozładowywanem ojemnośc rądem o natężenu osanym formułą (33). Innym słowy daje ona efekt równoważny włączenu do obwodu srzężena zwrotnego, bocznkującej kondensator, rezystancj o wartośc * S (34) Według Gouldnga 59 wsółczynnk można dobrać w rzedzale <0-6 0-0 >, co rzy raktyczne stosowanej wartośc rezystancj S = 00 daje wartość rezystancj zastęczej * = <0 8 0 >. Wyznacza one wesół z ojemnoścą stałą czasową ustalana sę stanu równowag rocesów ładowana rozładowana w ętle ładunkowej. harakterystyka częstotlwoścowa tej gałęz srzężena zwrotnego odyktowana jest własnoścam zastosowanych dod. Ogólne dostęne dody ozwalają łatwo uzyskać łask jej rzebeg nemal do częstotlwośc 0 MHz.
84 Zastąene ętl rezystorowej ętlą transotorową o dzałanu cągłym elmnuje bardzo znaczące źródła szumu termcznego, ne mnej jednak w ch mejsce wrowadza (daleko słabsze wrawdze) źródło szumu śrutowego. otododa wnos nadto na wejśce układu ojemność własną (złączową rozroszoną), która w ewnym stonu omnejsza osągnęty skutek ozytywny. Drug z wymenonych efektów został zmnmalzowany dzęk wykorzystanu w charakterze fotodody złącza bramka-kanał tranzystora olowego 59. Tego rodzaju złącze fotoelektryczne srzężono otyczne ze zmontowaną we wsólnej, śwatłoszczelnej obudowe, dodą elektrolumnescencyjną. Prawzorem rzedwzmacnaczy ładunkoczułych z cągłym srzężenem otoelektroncznym jest układ zarojektowany w Lawrence adaton Laboratory rzez Gouldnga wsółracownków 59. Jego schemat deowy rzedstawono na rysunku 65. + +4 + 68 DO k 00 GZEJNI LED A M0A N446 IOST. k 8k5 * N450 00 N404 47 k N404 6.8 k 6.8 6.8 DETETO LED M0A 6.8 0k k N747 N957 34k8 00 N9 k 5 3k6 0k 0k POL DET EG PĄDU UPŁYWU DETETOA 00-4 ontr. I LED ys. 65. Schemat deowy rzedwzmacnacza z cągłym srzężenem otoelektroncznym 59 Stanow go konwencjonalna sekcja ładunkowa z wejścem kaskodowym wsółracującym z nm w systeme bootstrangu, złożonym wtórnkem suer-alfa. Uzuełna ją rosty stoeń OE naędzający dodę elektrolumnescencyjną w gałęz srzężena otoelektrycznego. Przedstawone na schemace oddzelne tranzystor olowy N446 doda elektrolumnescencyjna M0A (LED A) są w rzeczywstym wykonanu ścśle ze sobą zwązane konstrukcyjne, tworząc śwatłoszczelną strukturę transotorową. Tranzystor olowy oraz detektor omeszczono w secjalnym IOSTAIE z grzejnkem umożlwającym regulację temeratury. Układ wyosażono nadto w obwód regulacj rądu cemnego detektora wykorzystując w tym celu równeż technkę srzężena transotorowego (LED ). Zastosowane organy regulacyjne osłużyły do ustalena otymalnych warunków racy zesołu rzedwzmacnacz detektor. ozmyce szumowe tego rzedwzmacnacza, wyrażone w skal energ z odnesenem do detektora krzemowego (WHM) S rzy wartośc stałej czasowej fltru = 0 s wynosła zaledwe 5 e 6. Do uzyskana tak dobrych własnośc rzyczynły sę równeż znacząco nowoczesne elementy ółrzewodnkowe zastosowane w rzedwzmacnaczu, w tym w so-
85 sób szczególny rewelacyjny na owe czasy tranzystor olowy tyu N446. Poważnym nedostatkem tego układu jest natomast nska obcążalność częstotlwoścowa. Wynka ona z trybu racy układu, w którym wartość średna rądu rozładowana ojemnośc obwodu srzężena zwrotnego a węc generowanego rzezeń w fotododze szumu śrutowego wzrasta ze wzrostem średnej szybkośc zlczeń. Dla zachowana wysokej rozdzelczośc amltudowej koneczne jest wówczas stosowane wększych wartośc stałych czasowych fltru, co z kole wrowadza ogranczene częstotlwoścowe. W układach ze srzężenem otoelektrycznym rozładowane ojemnośc w ętl srzężena zwrotnego dokonuje sę orzez właścwe dla konkretnej wersj, solaryzowane zaorowo złącze ółrzewodnkowe. Nezbędne w rocese rzewodzena, swobodne nośnk ładunku (mnejszoścowe) rodukowane są wówczas w obszarze barery w efekce jonzacj fotonowej. W. Elad wykorzystał w tym celu efekt jonzacj zderzenowej elektronów w rzydrenowej odcętej częśc kanału n tranzystora olowego 6. Przyomnjmy, że warunkem odcęca kanału jest, aby naęce drenu D rzewyższało ewną, ścśle określoną wartość rogową, zwaną naęcem nch-off. Generowane w tej strefe kanału elektrony dają rzyczynek I D do elektronowego rądu drenu I D równy D n I D I M (35) natomast towarzyszące m dzury, dryfując w kerunku ujemne solaryzowanej bramk, owodują analogczny wzrost I G rądu uływowego bramk, zwany rądem nadmarowym bramk I (36) G I D W stane ustalonym rąd ten równoważy średn rąd ładowana ojemnośc rzez stochastyczny cąg rądowych mulsów detektora. Oznaczony symbolem M n wsółczynnk owelana lawnowego rzez elektrony jest arametrem globalnym, osywanym zależnoścą całkową 6,63 D nxdx M (37) n 0 Lewa strona owyższego równana rerezentuje względny rzyrost rądu drenu I D / I D natomast funkcja odcałkowa n (x) osuje rozkład lokalnych wartośc wsółczynnka jonzacj zderzenowej rzez elektrony na długośc kanału (0D). Welkośc te są slnym funkcjam natężena ola elektrycznego. W szczególnośc dla raktyczne stosowanych wartośc natężeń ola Є 0 5 /cm funkcja ta, w rzyblżenu dryfowym, rzyjmuje ostać Є) A n ex(- n / Є) (38) rzy czym wsółczynnk A n n zależą od własnośc materałowych ółrzewodnka oraz teeratury. Przedstawone w zaryse zależnośc stanową odstawę dla wyznaczena rądu nadmarowego bramk I G jako funkcj arametrów materałowych roboczych warunków racy JETa. Przy welu dodatkowych założenach uraszczających uzyskano dobrze racującą zależność 63.
86 D a n D I D (39) IG a An ex Dla skrócena zasu w owyższym równanu wrowadzono arametr a równy a (40) N q 0 00 I G [A] 0 T=0 I D=4mA T=300 I D=8mA T=0 I D=8mA D [] 0. 6 7 8 9 0 3 ys.66. Zależność rądu nadmarowego bramk od naęca drenu tranzystora olowego tyu N446 6,6. w którym jest stałą delektryczną ółrzewodnka, q ładunkem elementarnym, zaś N 0 koncentracją domeszek. Slną zależność rądu nadmarowego bramk od naęca drenu lustrują rzykładowe, rzeczywste charakterystyk I G = f( D,T) rzedstawone na rysunku 66. Ukazują one secyfczny wływ temeratury, uwarunkowany charakterystykam termcznym wsółczynnków A n n. Manfestuje sę on zmaną stromośc charakterystyk oraz rzesunęcem jej dolnego zakrzywena wyznaczającego krytyczną wartość naęca drenu, owyżej której rozwja sę roces owelana lawnowego. Jeżel węc uzależnć naęce drenu od wartośc średnej rądu wejścowego ładującego ojemnośc, można wymusć równej welkośc rozładowujący ją rąd nadmarowy bramk. Sosób ten, nazwany technką srzężena rzez dren został raktyczne wykorzystany w rzedwzmacnaczu Elada 6. lokowy schemat tej konfguracj rzedstawono na rysunku 67. Zawera ona konwencjonalny układ rzedwzmacnacza ładunkowego z bezrezystywną gałęzą srzężena zwrotnego. Został on uzuełnony gałęzą restytucj stanu soczynkowego, obejmującą układ formowana analogowego sygnału autoregulacj, roorcjonalnego do średnej wartośc rądu wejścowego (ntegrator) oraz wzmacnacz sterujący otencjałem drenu tranzystora olowego. Na odanym schemace blokowym ze struktury ładunkowej
87 wydzelono wejścowy stoeń z ET-em, sygnalzując w ten sosób szczegół rozwązana konstrukcyjnego umejscowene tego tranzystora wraz z detektorem we wsólnym krostace. WZMANIAZ ŁADUNO WZMANIAZ D INTEGATO - ol IOSTAT DEN -k v DETETO ET ys. 67. Schemat blokowy rzedwzmacnacza ze srzężenem rzez dren. Wnoszone rzez układ rozmyce szumowe, w warunkach krogenzacj tranzystora olowego (T = 0 ) oraz fltracj gaussowskeg sygnału ze stałą czasową = 0s, osągnęto rekordowo nską wartość (WHM) S = 8 e. Z tych samych względów jak w układze z cągłym srzężenem otoelektroncznym wartość ta utrzymywana była w zakrese częstośc zlczeń ne rzekraczającym khz. ozładowane rzez złącze można zrealzować równeż technką kontrolowanej njekcj swobodnych nośnków ładunku. Metodą tą osłużyl sę Mcenze Wtt 64. Dla zmnmalzowana ojemnośc montażowych skonstruowal on w tym celu secjalną monoltyczną mkrostrukturę scaloną, zawerająca tranzystor olowy tyu N446 oraz dodę bocznkującą. Mkroukład ten zastosowano w stonu wejścowym konwencjonalnej, bezrezystywnej konfguracj wzmacnacza ładunkowego, lokując go konstrukcyjne wraz z detektorem odobne jak w orzedno osanym rozwązanu Elada wewnątrz krostatu. ysunek 68 rzedstawa schemat tej roozycj układowej. - ol IOSTAT ET -k v 00k DETETO +4 + UZ809-4 - DIODA 00 0M 5x N94 0. k N94 + 74-5k 00 00 0 ys. 68. Schemat bezrezystywnego rzedwzmacnacza ładunkowego z cągłym rozładowywanem ętl ładunkowej rzez dodę nekcyjną.
88 Pętla restytucyjna zawerająca dwa obwody całkujące, nenwertujący wzmacnacz oeracyjny dwustronny ograncznk dodowy, formuje sygnał stałorądowego srzężena zwrotnego, o ozome roorcjonalnym do wartośc średnej ładunku rzejmowanego rzez ojemność ętl ładunkowej. Sygnał ten wymusza w dodze mkroukładu rąd rozładowana ojemnośc. Wbrew oczekwanom, układ owyższy ne dorównał swym własnoścam osanym urzedno układom bezrezystywnym. Przy schłodzenu do temeratury T = -60 o w warunkach fltracj gaussowwske ( = 6 s) szerokość ołówkowa rozmyca szumowego w rzedzale częstośc zlczeń onżej khz wynosła (WHM) S = 60 e. Przez analogę do układu ze srzężenem otoelektroncznym, w którym funkcję elementu rozładowującego ełnła fotododa zewnętrzna lub fotoczułe złącze bramka-kanał tranzystora olowego, zaroonowano równeż alternatywne rozwązana 65 dla układu z zewnętrzną dodą rzewodzącą. Polega ono na wydzelenu wzdłuż kanału JETa dwóch stref o rzecwnej olaryzacj rozcągłego złącza bramka kanał. Domnująca strefa rzydrenowa jest solaryzowana zaorowo, natomast strefa rzyźródłowa w kerunku rzewodzena. Tego rodzaju odzał tworzy sę rzy dodatnej olaryzacj bramk, a jego roorcje zależą od wartośc dodatnego otencjału bramk GS. Tranzystor olowy racujący w takch warunkach można traktować jako kaskadę dwóch tranzystorów o kanałach odowedno różnej długośc (L L ) ze wzajemne ołączonym bramkam. Przedstawony na rysunku 69 model dwutranzystorowy ukazuje aktualną strukturę rądu wejścowego I G tranzystora. Zawera on manowce dwe składowe: rąd wsteczny I G solaryzowanego zaorowo złącza górnego D G G- D L S G (G +G ) I G I G S L L D S D S G-S<0 G-S>0 ys. 69. Model tranzystora olowego z dodatną olaryzacją bramk oraz rąd rzewodzena I G, dodatno solaryzowanego złącza dolnego. Składowa I G zależy slne od rzyłożonego naęca olaryzacj. W rzyadku olaryzacj rzez źródło rądowe, wymuszany rzezeń rąd wytwarza na złączu rzewodzącym sadek naęca G-S olaryzujący zaorowo tranzystor górny. Taką też sytuację mamy w układze rzedwzmacnacza ładunkowego z detektorem ółrzewodnkowym srzężonym stałorądowo. W stane ustalonym rą złącza dolnego stanow wówczas sumę rądów uływowych detektora złącza górnego oraz rądu rozładowana ojemnośc ętl ładunkowej. Uwzględnając oznaczena z rysunku 70 blans rądów zaszemy w ostac I GS I I I (4) D DG E ysunek 70 rzedstawa schematyczne ogólną strukturę rzedwzmacnacza ładunkowego wykorzystującego omawaną technkę restytucj stanu soczynkowego, lustrując zarazem zasadę jego dzałana. Dodatną olaryzację złącza bramka kanał tranzystora olowego wymu-
89 sza rąd uływu (odowedno włączonego) detektora ółrzewodnkowego, zaslanego ze źródła naęca o takej właśne olarnośc. I E I DET k v>> + ol G D DETETO I DG I GS S ys. 70. Zasada racy bezrezystywnego rzedwzmacnacza ładunkowego z rozładowanem rzez dodatno solaryzowane złącze bramka-kanał. Punkt racy tranzystora olowego określony jest sadkem naęca GS na złączu bramkakanał wywołanym rzeływem rądu I GS. Dynamka zman tego naęca ne może jednak rzewyższać wartośc owodującej rzekroczene dynamk naęca wejścowego. Warunek ten wyraża nerówność o GS (4) Dla raktyczne stosowanych wartośc dynamk naęca wyjścowego 0 oraz wzmocnena naęcowego dozwolony zakres dynamczny GS sęga zaledwe aru mlwoltów. Może być węc łatwo rzekroczony nawet od neobecność sygnału detektora wskutek dzałana różnych, wolnozmennych czynnków zaburzających. W celu zmnejszena wrażlwośc układu na wływ wsomnanych efektów nezbędne jest odowedne ukształtowane asma rzenoszena wzmacnacza. Polega ono główne na wrowadzenu ogranczena od strony nskch częstotlwośc, redukującym efektywne wzmocnene naęcowe w tym obszarze co najmnej o dwa rzędy welkośc. ysunek 7 rzedstawa ełny schemat deowy rzedwzmacnacza zrealzowanego raktyczne w rookhaven Natonal Laboratory rzez autorów koncecj rozładowywana ętl ładunkowej rzez dodatno solaryzowane złącze bramka - kanał tranzystora wejścowego 65. Wykorzystano w nm konwencjonalny układ o strukturze OS-O-O (T,T T 3 ) usuwając z ętl ładunkowej rezystor modyfkując jego transmtancję rądowo-naęcową rzy omocy dodatkowego, lokalnego ujemnego srzężena zwrotnego z emtera T 3 (va 3 - -) do bazy T. Dzałanem tego srzężena ulega redukcj globalne wzmocnene stałorądowe o do wartośc 3 o gm (43) zaewnając ożądane oszerzene zakresu dynamcznego wolnozmennych sygnałów (zaburzeń) wejścowych. harakterystyka częstotlwoścowa tej ętl ograncza jej efektywność do zakresu bardzo nskch częstotlwośc, tak że sygnał nformacyjny detektora (kwazdrakowske mulsy rądowe) rzenoszony jest rzez wzmacnacz jak w konfguracj konwencjonalnej ze zwykłym stonem O w kaskodze sekcj ładunkowej. W celu uzyskana nskej medancj wyjścowej, odstawową sekcję ładunkową uzuełnono dodatkowym wtórnkem
90 emterowym (T 4 ), ze źródłem rądowym (T 5 ) jako obcążenem. Sygnał wyjścowy tego stona orzez ojemność bootstrauje oornk obcążena kaskody 4, zwększając jego rezystancję dynamczną. + ol DETETO NJ6 T 3k MPSH8 T 4k3 3 3k 33 33 T 4 0. + T 3 N3904 N3904 5 4 5k 33 500 N4446 33 T 5 0k 0. N3904 k - ys. 7. Pełny schemat deowy bezrezystywnego rzedwzmacnacza ładunkowego z rozładowanem rzez rzewodzące złącze bramka-kanał 65 Ze względu na orygnalność koncecj układu rzytoczona zostane za autoram zwęzła jego analza. Oeratorowa funkcja wzmocnena ładunkowego rzybera w tym rzyadku ostać kq (44) Globalne wzmocnene naęcowe w otwartej ętl zewnętrznej () zaszmy dla jasnośc analzy jako loczyn wzmocneń stona OS () oraz kaskady O O (), czyl (45) Według oznaczeń rzyjętych na rysunku 7 osują je równana oraz g Z (46) m o 3 (47) *
9 gdze: g m transkonduktancja tranzystora olowego sumaryczna, wejścowa ojemność wejścowa (ne okazana na schemace) = G wejścowa rezystancja równoległa (rzewodzącego złącza bramka-kanał) Z o,, * - medancja obcążena tranzystora olowego oraz obwodowe stałe czasowe określone odowedno zależnoścam (48), (49) (50) ZWE Zo (48) Z 3 3 (49) * 3 gm 4 (50) zaś Z WE g m odowedno: medancja wejścowa transkonduktancja stona O, rzy czym 4 ZWE (5) WE Zesół zależnośc od (43) do (5) ozwala wyznaczyć globalną transmtancję rądowonaęcową układu (tk. funkcję oeratorową wzmocnena ładunkowego) k q (), a w dalszej konsekwencj jego odowedź naęcową o (t) na wymuszene rądowym mulsem drakowskm Q(t). Osane są one odowedno równanam: oraz w których k q (5) * 0 0 Q S S t t 0 t ex ex S S S (53) = G stała czasowa zewnętrznej ętl srzężena zwrotnego = G ( + ) stała czasowa obwodu wejścowego S * * / - zredukowana stała czasowa () * o o o o / Jak wskazuje równane (53) rzebeg czasowy sygnału wyjścowego rzedwzmacnacza zawera dwe składowe o zanku wykładnczym: składową szybką o stałej czasowe S odyktowanej wartoścam arametrów obwodowych, oraz składową wolną, której stała czasowa S jest jak wykażemy nżej funkcją średnej częstośc zlczeń. Przyomnjmy w tym celu formułę osującą oorność dynamczną złącza G. W warunkach rzewodzena rzezeń rądu detektora (uływowego I od sygnałowego o wartośc średne < I sd >) formuła ta rzyj-
9 muje ostać G q I k T I 0D sd (54) Składowa sygnałowa rądu detektora w oczywsty sosób zależy od średnej częstotlwośc generowanych w nm mulsów rądowych. Dla cągu mulsów monoamltudowych o średnej częstotlwośc f jej wartość wynese I sd Q f (55) W kontekśce zależnośc (54) (55) wdać, że wartość stałej czasowej maleje ze wzrostem średnej częstośc zlczeń rzyseszając tym samym roces rozładowywana ętl ładunkowej. Skonstruowany w NL dośwadczalny model omawanego rzedwzmacnacza racując z ojemnoścą wejścową 5,5 zaewnał w temeraturze okojowej w warunkach fltracj gaussowskej ze stałą czasową = 0 s zredukowane równoważnego ładunku szumów EN do ozomu onżej 0 el.rms. (WHM) S 75 e). W układach rzedwzmacnaczy bezrezystywnych elementam odrowadzającym ładunek z ojemnośc są złącza ółrzewodnkowe o sterowanym rzewodzenu. Wnoszą one do układu własne tło szumowe, roorcjonalne do natężena łynącego rzez ne rądu, umnejszając w ewnej merze korzyśc osągnęte rzez wyelmnowane źródeł szumu termcznego (rezystorów) na wejścu rzedwzmacnacza. Efekt ten owoduje gwałtowne ogorszene rozdzelczośc energetycznej (wzrost WHM) rzy dużych częstoścach zlczeń jest głównym czynnkem ogranczającym obcążalność sektrometru. Jako środek zaradczy wrowadzono cyklczność racy rzedwzmacnacza z odzałem cyklu na dwe fazy: fazę aktywną fazę restytucyjną. W cągu fazy aktywnej złącze rozładowujące utrzymywane jest w stane odcęca ładunk nesone rzez mulsy rądowe detektora gromadzone są bez odływu w ojemnośc, zaś naęce wyjścowe narasta schodkowo aż do założonej wartośc grancznej. Osągnęce jej wykrywane jest rzez odowedn czujnk ozomu (komarator), który w odowedz wrowadza złącze rozładowujące w stan slnego rzewodzena, rozoczynając drugą fazę cyklu racy układu. zas je trwana (t E ) odyktowany jest douszczalną wartoścą rądu rozładowana (I E ) oraz wartoścą ładunku (Q D ) zdeonowanego w odczas fazu aktywnej. W czase trwana fazy restytucyjnej, dzałanem celowo wrowadzonej bramk lnowej, rzerywany jest tor transmsj sygnału do dalszych bloków toru sektrometrycznego. Osany sosób rzywracana stanu zerowego rzedwzmacnacza rzyjęto owszechne nazywać technką mulsowego srzężena zwrotnego (Pulsed eefback Technques). Ilustracją owyższego osu jest uroszczony, uogólnony schemat funkcjonalny tego tyu rzedwzmacnacza, rzedstawony na rysunku 7. Do mulsowego trybu racy dają sę zaadatować rzktyczne wszystke układy bezrezystywne o dzałanu cągłym. Możlwe są jednak równeż nne rozwązana ne wywodzące sę z tej kategor rzedwzmacnaczy. Lteratura rzedmotu wymena nastęujące odmany układów z mulsowym srzężenem zwrotnym: układ z mulsowym srzężenem otoelektrycznym rzez fotododę układ z mulsowym srzężenem otoelektrycznym rzez złącze bramka-kanał układ z kluczem tranzystorowym układ z mulsowym srzężenem rzez dren
93 układ ze zwrotncą dodową układ z omą dodową układ z omowane ładunku orzez ojemność detektora. I D I E (Q D) AMA LINIOWA WE k v >> MODUŁ OZŁADOWUJĄY STEOWNI ZUJNI POZIOMU ys.7. Uogólnony schemat funkcjonalny rzedwzmacnacza bezrezystywnego z mulsowym srzężenem zwrotnym ozwój technk mulsowego srzężena zwrotnego zaoczątkowal andah Strlng 66 mlementując ją do układu z cągłym, zewnętrznym srzężenem otoelektroncznym. onfgurację tę zrelkowano w udoskonalonej wersj stosującej zamast zewnętrznej fotodody fotoczułe wewnętrzne złącze bramka-kanał tranzystora olowego 67. W rozwązanu tym do kontrol ozomu naęca wyjścowego zastosowano dyskrymnator Schmtta z hsterezą. Generowany w nm z chwlą rzekroczena górnego ozomu sygnał, swą krawędzą czołową wyzwala monowbrator sterujący bramką lnową, oraz za ośrednctwem członu oóźnającego jest rzekazywany do układu naędzającego (sterownka) dody elektrolumnescencyjnej. W ten sosób zaewnono ełne odcęce toru omarowego na czas trwana fazy restytucyjnej, gdy na wyjścu rzedwzmacnacza ojawa sę slne rzecążający skok naęcowy. ysunek 73 ukazuje schematyczne elementy funkcjonalne ętl restytucyjnej oraz MW TS LED MW - ol STE TS W& (INHII STE DET o a) b) ys.73. Schemat funkcjonalny rzedwzmacnacza z mulsowym srzężenem oto-elektroncznym (a) oraz dagramy rzebegów czasowych (b). TS Tryger Schmtta, MW Monowbrator, STE Sterownk LED, W& Wzmacnacz +ltr, ramka lnowa (równoległa), LED Doda elektrolumnescencyjna, o Naęce wyjścowe rzedwzmacnacza ładunkowgo, DET Detektor.
94 sosób bramkowana toru transmsyjnego rzy omocy równoległego klucza tranzystorowego. Dysersja szumowa omawanego układu w warunkach otymalnej krogenzacj stona wejścowego oraz fltracj tyu -() 3 ze stałą czasową = s ne rzekroczyła ozomu (WHM) S = 00 e, rzy szybkośc zlczeń rzewyższającej znaczne granczną częstotlwość uwarunkowaną douszczalną obcążalnoścą sektrometru. W zmodernzowanej wersj omawanego rzedwzmacnacza 68 zastosowano szybszą sekcję ładunkową z bolarnym stonem wyjścowym, oraz zmodyfkowano system formowana sygnałów restytucyjnego bramkującego. Głównym celem wrowadzonych zman układowych było zaobeżene efektow uzależnonych od energ strat mulsów ncjujących roces restytucyjny. System ten znalazł równeż zastosowane w alternatywnym rozwązanu bezrezystywnego rzedwzmacnacza ładunkowego z mulsowym rozładowywanem ętl ładunkowej, a manowce w układze z rozładowującym kluczem tranzystorowym. Walory konfguracj z mulsowym srzężenem otoelektroncznym jak: skrajne nske rozmyce szumów, duża obcążalność oraz rostota układowa, zadecydowały o jej szerokm uowszechnenu w systemach sektrometr wysokej rozdzelczośc energetycznej. Przyczynła sę do nej newątlwe odjęce seryjnej rodukcj tej nowej generacj rzedwzmacnaczy rzez czołowe frmy śwatowe. Dla rzykładu na rysunku 74 zameszczono schemat zasadnczej częśc takego rzedwzmacnacza ( ANEA Mod. 008) 69. - POL +4 DETETO k 68 5k k LED T T 3 T k 68 50 0 5k + DO T 7 N3906 k IOST 330 N3906 N94 k N94 N3906 T 5 0 N3906 N3904 6k9 0 0k LM3 k 5k - +5. INHIIT () N3904 T 4 T 6 4k 0k -5. 6k8 6k9 68 50 - -4 9 ys.74. Schemat deowy rzedwzmacnacza Model 008 - f-my ANEA Ne trudno rozoznać w nm blok funkcjonalne wyróżnona na rysunku 73. Jądro układu stanow sekcja ładunkowa w konfguracj z naęcowym wzmacnaczem różncowym (T,T 3,T 4 ) rzecwstawne symetrycznym stonem wtórnkowym (T 5,T 6 ) na wyjścu. omarator ( ) racujący w układze dyskrymnatora z hsterezą śledz zmany ozomu naęca wyjścowego sekcj ładunkowej, reagując na rzekroczene założonych wartośc rogowych (0, -4) odowedną zmaną swego stanu logcznego. Zwązana z nm zmana o-