Спектрометрический усилитель

(51) ОБРЕТЕНИЯЬСТВУ СКОМУ СВИДЕТЕ КА 2Выход 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 и-типа и первой обкладкой конденсатора 8, исток транзистора 15 соединен с прямым входом усилительной секции 1 и через второй резистор 16 - к Я 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,(21) 4827279/21(56) Андропов О.И. Аналоговые спектрометрические модули КАМАК, и др Новост ИАИ. - 1984. - М 2, - . с. 17, рис. 1.Акимов О.К. и др. Спектрометрический усилитель. Приборы и техника эксперимен. та, - 1985. - Ь 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 выходом усиди- тельной секции 1 и выходом 4 устройства,и ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССРИзобретение относится к ядернойэлектронике и может использоваться, например, для построения амплитудных спектрометрических трактов многоканальныханализаторов,Известен спектрометрический усилитель (Ц (СУ), содержащий усилительныйблок с непосредственными связями, операционный усилитель (ОУ), выход которого через последовательную цепь, состоящую издвух резисторов, соединен с прямым входом усилительного блока, а общая точкаэтой цепи через два неполярных конденсатора соединена с общей шиной, выход усилительного блока соединен с выходомспектрометрического усилителя и инверсным входом ОУ, прямой вход которого соединен с общей шиной, причем входусилительного блока через резистор соединен с входом спектрометрического усилителя,К недостаткам этого СУ следует отнести:- зависимость базового уровня от длительности и частоты входных импульсов;- громоздкость устройства, обусловленнаябольшими габаритами неполярных конденсаторов (которые к тому же снимаются спроизводства).Наиболее близким к заявленному техническому решению является спектрометрический усилитель (2), содержащийусилительный блок с непосредственнымисвязями, шесть резисторов, два конденсатора, четыре диода, операционный усилитель и полевой транзистор первого типа(например, п-типа), причем выход усилительного блока соединен через последовательную цепь, состоящую из первого ивторого резисторов с инверсным входомоперационного усилителя, а общая точкапервого и второго резисторов соединена через параллельную цепь, образованную первым и вторым встречно включеннымидиодами, с общей шиной и через первыйконденсатор с выходом усилительного блока, инверсный вход ОУ через третий резистор и через последовательную цепь,состоящую из четвертого резистора и параллельной цепи из встречно включенныхтретьего и четвертого диодов, соединен свыходом ОУ; кроме того, выход ОУ черезпятый резистор соединен с положительнойобкладкой второго полярного (электролитического) конденсатора и затвором полевого 5транзистора первого типа (п-типа), источниккоторого соединен через переменный резистор, а сток - непосредственно с соответствующими шинами питания, средний выходпеременного резистора соединен с прямым входом усилительного блока, инверсныйвход которого является входом усилителя,отрицательная обкладка второго конденсатора и прямой вход ОУ соединены с общей5 шиной.Данному устройству присущи следующие недостатки:- громоздкость, обусловленная в первуюочередь большими габаритами электроли 10 тического конденсатора, кроме того, естьвозможность перепол юсовки второго (электролитического) конденсатора;- систематическое прохождение однополярных(после ограничения на первом и вто 15 ром диодах) импульсов на выходоперационного усилителя в зависимости отформы и длительности входных импульсовсмещает выходной уровень, что ограничивает максимальную частоту входных импуль 20 сов устройства;- большой ток входной цепи ОУ.Неудовлетворительные массогабаритные показатели СУ обусловлены не толькобольшими габаритами электролитического25 конденсатора, но и большим количествомрадиоэлементов во входной цепи и цепиотрицательной обратной связи ОУ.Переполюсовка электролитическогоконденсатора может привести к его взрыву30 (по ТУ переполюсовка недопустима).Неполярные конденсаторы допускаютпереполюсовку, но их отечественная промышленность в настоящее время не выпускает и, кроме того, их габариты (при равных35 емкостях) в четыре раза больше.При образовании неполярного конденсатора при помощи полярных конденсаторов за счет их встречного включениягабариты увеличиваются в два раза, а ем 40 кость такого конденсатора в два раза меньше, т.е. для получения эквивалентнойемкости габариты должны быть увеличены вчетыре раза,Систематическое прохождение в цепь45 обратной связи ОУ однополярных импульсов ограничивает максимальную частотвходных импульсов на уровне 8 х 10имп/се к.Большой ток во входной цепи ОУ обус 50 ловлен малым значением сопротивленияпервого резистора.Цель изобретения - расширение области использования за счет уменьшения массогабаритных размеров и повышения5 частоты контролируемого сигнала,Указанная цель достигается тем, что вспектрометрический усилитель, содержащий усилительный блок, инверсный вход которого соединен с входной шиной, а выходс выходной шиной, конденсатор, четыре резистора, полевой транзистор первого типа,затвор которого соединен с первым выводом первого резистора и через конденсаторс общей шиной, исток через второй резистор, а сток - непосредственно с соответствующими шинами питания, введеныполевой транзистор второго типа, ключ икомпаратор напряжения, выход которогосоединен с управляющим входом ключа, выход ключа соединен с вторым выводом первого резистора, и через третий резистор собщей шиной, вход ключа соединен с истоком полевого транзистора второго типа, затвор которого соединен с первым выводомпервого резистора, исток полевого транзистора второго типа через четвертый резистор, а сток непосредственно соединены ссоответствующими шинами питания, инверсный вход компаратора напряжения со-.единен с выходной шиной, а прямой вход с 20общей шиной, прямой вход усилительногоблока соединен с истоком полевого транзистора первого типа,В заявленном устройстве уменьшениемассогабаритных размеров и увеличение 25максимальной частоты входных импульсовустройства достигается путем введения полевого транзистора втсрого типа и заменыоперационного усилителя компаратором иключом, что позволило уменьшить номинал 30и габариты конденсатора и увеличить номиналы первого и третьего резисторов дляполучения больших постоянных временизаряда и разряда конденсатора, причем выходные (отрицательные) информационные 35импульсы устройства при помощи компаратора выключают ключ, чем устраняется смещение выходного уровня устройства придействии на его вход информационных импульсов, 40Одной из основных функций спектрометрического усилителя является компенсация температурного и временного дрейфа"нуля", однако при поступлении информационных импульсов на вход устройство неиэбежно смещение его базовогоуровня,которое различными путями стремятсяуменьшить. В предлагаемом устройстве этодостигается за счет большой постояннойразряда и малой заряда конденсатора. В 50прототипе такая возможность отсутствует,так как постоянные заряда и разряда конденсатора одинаковы и определяются величиной сопротивления первого резистора иемкостью конденсатора 2). 55Заявленный усилитель представлен нафиг. 1.Он содержит усилительный блок 1, инверсный вход которого соединен с входнойшиной 2 устройства, а выход - с выходнойшиной 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 Ео - 10 и ЕП 2 - 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 соединен 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 Еп 2 - 11 и Еп 1 - 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 КР 554 САЗ 521 САЗ), причем выходом 14 ключа 13 является разомкнутый коллектор, в входом 15 ключа 13 является разомкнутый эмиттер биполярного выходного транзистора и-р-и типа, база которого является управляющим входом ключа 13, выходом компаратора 12 является выход внутреннего выходного генератора тока (см, эл, схему ИС КП 554 САЗ). При появлении на инверсном входе компаратора 12 отрицательного информационного импульса ключЪ13 размыкается. В течение действия входного импульса будет происходить экспоненциальный разряд конденсатора 4 сбольшой постоянной времени, равной тр =С 4(Й 5+ В 7), Таким образом, выбор резисторов 5 и 7 больших номиналов позволяетприменять конденсатор 4 малой емкости, аследовательно, и минимальных габаритов ивеса.Так, например, при емкости конденсатора 4 равной 3,3 мкф, резисторе 5 - 10 Ом,резисторе 7 - 10 Ом постоянная рбазряда (тр)7составит тр = 3,3 10 (1 + 10) 10 = 33 с, Упрототипа постоянная разряда составляеттр =22 10 3 10 = 6,6 с при этом габаритыконденсатора 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 практическиудерживается постоянным, т.е. практическиотсутствует систематическое прохождениеоднополярных импульсов на интегрирующий конденсатор 4,По окончании информационного входного импульса под воздействием небольшого изменения выходного уровня усилителя1, вызванного экспоненциальным саморазрядом конденсатора 4 в момент действиявходного импульса, которое поступает через усилительный блок 1 на инверсный входкомпаратора 12 замыкает ключ 13 (фиг. 2,алых, 14), т.е. при этом включается отрицательная обратная связь через блок 1 с цельюустановления на инверсном входе компаратора 12 потенциала, равного потенциалу, заданному на прямом входекомпаратора 12.В этом случае происходит заряд конденсатора 4 током, равном 1,(фин, 2,звр С 4)40Чвых.кл,-Чс 4В 5где Чвык.кл, - напряжение на выходе 14ключа 13. Это напряжение задается выбором номинала резистора 8 с учетом реальной входной характеристики транзистора 16,Ч,4 - .напряжение на конденсаторе 4(оно может быть только отрицательным),я 5 - номинал резистора 5, в нашем случае 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 разрядаконденсатора 4 и поэтому восстановление выходного базового уровня усилителя про исходит быстро (фиг, 2, 1 рав С 4, вых, 14).Базовый уровень на выходе 3 практически не меняется при увеличении средней 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,раз С 4, раз С 4, 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 чемв 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 10 А.Диапазон изменения напряжения истока тра нзистара 9 от+ЧЗИ 9 до -(Чп 1- Чзи 9), где Чзи 9 - напряжение между затвором и истоком транзистора 9, Чзи 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 Спектрометрический усилитель, содержащий усилительный блок, инверсный вход1783607 10 Входа Тзар Составитель Ю,Доценкодактор Т,Геллерлейб Техред М.Моргентал Корректор Н,Ревск каз 4521 Тираж Подп ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и о 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4оеытиям при ГКНТ С роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 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, о т л и ч а ющ и й с я 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 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 полево го транзистора второго типа, затвор которогосоединен с первым выводом первого разистора, исток полевого транзистора второго типа через четвертый резистор, а сток непосредственно соединены с соответствующими шинами 10 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.