Зарядо-чувствительный усилитель

(51) 03 19/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Зарядо-чувствительный усилитель (ЗЧУ) может быть использован в экспериментальной физике на ускорителях и на установках для исследования космических лучей. Предложенный ЗЧУ позволяет получить линейную зависимость между измеряемым зарядом и длительностью выходного строба, что достигается использованием двух циклов интегрирования входного сигнала и калиброванного опорного тока.(72) Байгубеков Али Сафарович Застрожнова Наталья Николаевна Мартьянов Игорь Серафимович Садыков Турлан Хамзинович 21044 Изобретение относится к ядерной электронике и может быть использовано в экспериментальной физике высоких энергий, например, на ускорителях элементарных частиц,в экспериментах с космическими лучами на ионизационном калориметре, детекторах широких атмосферных ливней и др. Зарядо-чувствительный усилитель(ЗЧУ) используют в качестве предусилителя для регистрации зарядовой площади импульсов тока на выходе детекторов элементарных частиц, таких, как ионизационные камеры,пропорциональные счетчики, кремниевые детекторы и др. Зарядочувствительный усилитель по принципу своей работы является интегратором и осуществляет преобразование заряда в напряжение с последующим спадом проинтегрированного напряжения по экспоненте. Известен ЗЧУ для полупроводниковых детекторов (см., например А.П. Цитович. Ядерная радиоэлектроника. М., Наука, 1967, с.108-109,Рис.95). Обратная связь по заряду осуществляется с помощью конденсатора Сос. Недостатками известного ЗЧУ являются сложность схемы и выполнение ее на электронных лампах. Известен ЗЧУ, выполненный на транзисторах,наиболее близкий к заявляемому и взятый за прототип (см. Крашенинников И.С., Курочкин С.С.,Матвеев А.В. и др. Современная ядерная электроника, т.1, М., Атомиздат, 1974, с.148,Рис.2.7,б). Обратная связь по заряду осуществляется с помощью конденсатора С (см. эквивалентную схему б). Как следует из рассмотрения эквивалентной схемы, данный ЗЧУ представляет из себя интегратор Миллера с интегрирующим конденсатором, в котором после окончания интегрирования конденсатор С разряжается нелинейно во времени (по экспоненте). Это происходит вследствие шунтирующего действия сопротивления,имитирующего нехватку усиления реального усилителя на величину-/ (см., Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. Л., Энергия, 974, с.70-71, Рис.5-26,5-28 и 5-29). В тоже время, в связи с необходимостью цифрового кодирования измеряемых зарядов на выходах детекторов элементарных частиц,необходимо,чтобы напряжение на выходе ЗЧУ после окончания регистрации (сбора) заряда изменялось линейно во времени. Это позволяет простыми средствами перевести заряд в цифру, например, путем выделения времени линейного разряда (строба) и последующего подсчета в цифровом счетчике числа импульсов, размещенных в стробе. Таким путем информация об измеряемой энергии ядерного излучения будет преобразована в цифровой код с линейной зависимостью. При разряде же интегрирующего конденсатора по экспоненте это исключается. Таким образом, недостатком известного ЗЧУ является не линейный во времени разряд интегрирующего конденсатора после окончания интегрирования (сбора) входного заряда. 2 Предлагаемое устройство устраняет указанный недостаток известного ЗЧУ, позволяя получить технический результат, заключающийся в том, что разряд интегрирующего конденсатора после окончания интегрирования (сбора) входного заряда происходит линейно во времени. Заявляемый ЗЧУ содержит операционный усилитель (ОУ) и интегрирующий конденсатор,соединяющий выход ОУ с его инвертирующим входом, при этом неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной устройства. Согласно заявляемому ЗЧУ дополнительно введены источник опорного напряжения, резистор, двуханодный стабилитрон и компаратор напряжения. При этом общую шину устройства присоединяют к положительному выводу источника опорного напряжения, отрицательный вывод которого через резистор соединяют с инвертирующим входом ОУ. Двуханодный стабилитрон своими выводами присоединяют параллельно интегрирующему конденсатору,выход ОУ соединяют с инвертирующим входом компаратора,неинвертирующий вход которого присоединяют к общей шине устройства. Выходом ЗЧУ является выход компаратора, при этом направление тока источника опорного напряжения через резистор задают обратным направлению тока сигнала и много меньшим последнего. Анализ работы устройства проводим для входного сигнала положительной полярности. Входной токовый сигналс выхода детектора ионизации поступает на инвертирующий вход ОУ и интегрируется конденсатором С за время действия сигнала 0. Происходит первый цикл интегрирования за время (0-0) (см. фиг.2, эпюры а, ). Напряжение на выходе интегратора будет равно 0 Потенциална выходе ОУ ограничен двуханодным стабилитроном , что предохраняет ОУ от входа в насыщение. Таким образом,потенциал на выходе ОУ смещен на величину(см. фиг.2, эпюры а, ) и остается неизменным до появления сигнала. Для нормальной работы ЗЧУ должно выполняться неравенство 0, которое задается выбором величин резистораи опорного напряжения Е 0. После окончания первого цикла интегрирования, т.е. после сбора измеряемого заряда (интервал 0-) напряжение на выходе ОУ будет равно . Немедленно, начиная с точки 0,происходит линейный разряд интегрирующего конденсатора во втором,обратном цикле интегрирования (0-1) путем интегрирования постоянного опорного напряжения Е 0. Второй цикл интегрирования продолжается до возвращение выходного потенциала ОУ до исходного уровня ,задаваемого двуханодным стабилитроном. Снижение выходного потенциала ОУ происходит с постоянной скоростью Е 0/. Таким образом осуществляется линейный разряд интегрирующего конденсатора С в интервале (0-1). Выделение временного интервала Т осуществляют(0-1) разряда выбирают много большим длительности сигнала (0-0) для того, чтобы снизить влияние случайной флуктуации длительности сигнала на точность измерения заряда. Всем выше сказанным обеспечиваются условия линейного разряда интегрирующего конденсатора и тем самым- пропорциональность интервала разряда площади(заряду) входного импульсного сигнала. Таким образом, получен технический результат,заключающийся в том, что разряд интегрирующего конденсатора происходит линейно во времени со скоростью 0/. Следует отметить также следующие дополнительные виды технического результата динамический диапазон входных сигналов увеличен вдвое за счет искусственного смещения нулевого потенциала ОУ на выходе до величины , равной максимальному выходному рабочему напряжению ОУ. По той же причине отпадает необходимость в балансировке нуля ОУ,что существенно упрощает схему ЗЧУ. На фиг. 1 приведена структурная схема зарядочувствительного усилителя, на фиг.2 - временная диаграмма напряжений в различных точках схемы усилителя, на фиг.3 -пример практической схемы усилителя. На рисунках обозначено 1 - операционный усилитель (ОУ) 2 - источник опорного напряжения 3 - резистор 4 - интегрирующий конденсатор 5 - двуханодный стабилитрон 6 - компаратор напряжения- ток входного сигнала 0- напряжение на выходе ОУ- напряжение на выходе ЗЧУ Е 0 - опорное напряжение 0 - ток источника опорного напряжения- напряжение двуханодного стабилитрона 0 - длительность входного сигнала Тдлительность выходного временного интервала (строба). Входной токовый сигналподают на инвертирующий вход ОУ 1, где интегрируют его конденсатором 4 одновременно с током 0 источника опорного напряжения 2, протекающим через резистор 3. Двуханодным стабилитроном 5 смещают выходной потенциал ОУ до величины ,одновременно предохраняя этим ОУ от насыщения. Временной интервал(строб) Т выделяют компаратором 6. Таким образом,выходным сигналом предлагаемого ЗЧУ является не величина импульса напряжения, как в прототипе, а длительность строба, пропорциональная входному заряду. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Зарядо-чувствительный усилитель содержит операционный усилитель (ОУ) и интегрирующий конденсатор, соединяющий выход ОУ с его инвертирующим входом,при этом неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной устройства, отличающийся тем, что дополнительно введены источник опорного напряжения, резистор, двуханодный стабилитрон и компаратор напряжения, причем общую шину устройства соединяют с положительным выводом источника опорного напряжения, отрицательный вывод которого через резистор соединяют с инвертирующим входом ОУ,двуханодный стабилитрон своими выводами присоединяют параллельно интегрирующему конденсатору, выход ОУ соединяют с инвертирующим входом компаратора напряжения, неинвертирующий вход которого присоединяют к общей шине усилителя,выходом устройства является выход компаратора напряжения. 2. Зарядо-чувствительный усилитель по пункту 1, отличающийся тем, что направление тока источника опорного напряжения через резистор задают обратным направлению входного тока и величиной много меньшей последнего.