Amplificatori si preamplificatori

Amplificatori si preamplificatori

Detectoarele furnizeaza pulsuri cu amplitudini de 1mV-1V, in functie de tipul detectorului, energia radiatiei si valoarea tensiunii inalte aplicate pe acestea. Aparatele care analizeaza amplitudinea au un domeniu de lucru intre 0-10V (cele mai vechi cu tuburi electronice au intre 0-100V). Pentru a face ca spectrul de amplitudini dat de detector sa se suprapuna cu domeniul de analiza al selectoarelor de amplitudine, pulsurile sunt mai intai preamplificate.

a) Preamplificatori. Dintre cei mai utilizati preamplificatori sunt cei cunoscuti sub denumirea de 'sensibili la sarcina', care genereaza un semnal de iesire a carui amplitudine este independenta de capacitatea detectorului si de capacitatile parazite. Aceste preamplificatoare au in primul etaj de amplificare (Fig.3.4) tranzitori cu efect de camp (FET). Celelalte etaje de amplificare (unul sau doua) nu contin FET.

Tranzistorul cu efect de camp inventat de Schockley (1950) este un semiconductor de tip n in care se implanteaza regiuni de tip p, avand rolul de control asemanator grilei la trioda (Fig.3.5). Purtatorii majoritari n trebuie sa strabata canalul delimitat de regiunea p. Intre sursa (emiter) si colector se aplica o diferenta de potential mica. FET actioneaza ca o rezistenta a carei valoare depinde de largimea canalului.

Fig.3.4. Schema unui preamplificator Fig.3.5. Tranzistor cu efect

sensibil la sarcina de camp (FET)

La polarizarea inversa rezistenta interna a FET este mai mare de 10¹⁰ Ω pentru o capacitate de intrare (C_o) mai mare de 5pF. In felul acesta se asigura o rezistenta de intrare (R_o) foarte mare care va creste raportul efect/zgomot.

O schema echivalenta a unui preamplificator sensibil la sarcina este data in fig.3.6. Capacitatea de intrare C_o include capacitatea detectorului C_d plus capacitatile parazite C_p. De asemenea R_o include rezistenta detectorului, rezistenta prin care se aplica tensiunea pe detector, rezistente parazite etc. Deoarece in multe cazuri practice C_o ≈ C_d, amplitudinea semnalului de intrare va fi U_o = Q/C_o

Fig.3.6. Schema echivalenta a unui preamplificator sensibil la sarcina

Capacitatea C_d>>C_p si variaza insa de foarte multe ori cu tensiunea aplicata. Pentru a exclude influenta variatiei capacitatii C_o asupra semnalului de iesire, se realizeaza reactia negativa printr-o capacitate C_f (Fig.3.6). Atunci sarcina Q se distribuie intre capacitatile C_o si C_f astfel:

Deoarece U_ies - AU_o, rezulta:

Se alege amplificarea cu bucla de reactie (-A) astfel incat sa se realizeze o capacitate dinamica AC_f cat mai mare, adica AC_f>>C_o. In aceste conditii rezulta:

Deci semnalele de intrare U_o cu amplitudinea Q/C_d vor fi inversate la iesirea din preamplificator si de amplitudine - Q/C_f. Amplificarea semnalului de iesire este in raportul C_o/C_f mai mare decat amplitudinea semnalului generat de detector fara preamplificator. In plus, amplitudinea semnalelor de iesire U_ies nu depind de capacitatea detectorului si de capacitatile parazite. Tinand cont de valorile uzuale A 1000 si C_f 5pF, rezulta ca pentru un detector cu C_o C_d 100pF raportul C_o/C_f este de 20. Semnalul generat de preamplificator este apoi trecut printr-un adaptor de impedanta, care realizeaza o impedanta mica la iesire necesara transmiterii in bune conditii a semnalului pe cablu spre amplificatorul principal (care in unele experiente se poate gasi la distante apreciabile de sistemul detector-preamplificator).

Optimizarea semnalului transmis de preamplificator amplificatorului principal este legata de minimalizarea surselor de zgomot pe care le prezinta montajele din Fig.3.4. si 3.6. Zgomotul este determinat in principal de sistemul de cuplaj dintre detector si preamplificator, de microfonia sistemului si de etajul de intrare al preamplificatorului. Pentru micsorarea zgomotului de cuplaj, generat in special de capacitatile cablurilor de conexiune, se recomanda plasarea preamplificatorului cat mai aproape de detector, in cuplaj direct daca se poate. Microfonia sistemului se inlatura prin reducerea la minimum a etajelor de amplificare ale amplificatorului cu reactie negativa (-A). Micsorarea suplimentara a zgomotului se realizeaza prin racirea la temperatura azotului lichid a intregului etaj de intrare si deci a FET-ului insusi.

Masurile precizate conduc la realizarea unui raport semnal/zgomot mare, dar si la fenomenul de suprapunere al pulsurilor (pile-up). Pentru a intelege acest aspect reamintim ca la functionarea in puls de tensiune pe care o analizam, frontul pulsului este mult mai scurt decat timpul sau de descrestere τ. In cazul semnalelor generate de preamplificator τ=R_fC_f si deci:

Obtinerea unui raport semnal/zgomot cat mai mare necesita valori mari ale rezistentei R_f (>10 Ω). Tinand insa cont ca C_f 1 - 5pF, rezulta o constanta de timp R_fC_f mare. Astfel, semnalul generat de preamplificator tinde lent spre zero si suprapunerea pulsurilor devine inevitabila. Preamplificatorul nu reuseste sa revina la starea initiala intr-un timp mai mic decat timpul mediu care separa sosirea a doua particule in detector. Folosirea unor rezistente R_f de valori mici ar duce la evitarea efectului de suprapunere, dar mareste zgomotul si deterioreaza rezolutia energetica a sistemului de masurare. Se cauta in general o solutie de compromis intre obtinerea unor viteze mari de numarare si obtinerea unor rezolutii (energetice si temporale) cat mai bune.

b) Amplificatori. Un amplificator trebuie sa realizeze doua lucruri si anume:

- In primul rand sa amplifice toate semnalele primite de la preamplificator intr-o aceeasi proportie - reglabila si cunoscuta - indiferent de amplitudinea lor, fara sa introduca neliniaritati sau zgomote suplimentare. Un astfel de amplificator utilizat in fizica si tehnica nucleara se numeste amplificator liniar. Pastrarea rapoartelor de amplitudine dintre diferite pulsuri in tot cursul operatiei de amplificare - care se face, de obicei, in mai multe trepte - este necesara pentru masurarea energiilor corespunzatoare pierdute de radiatiile incidente in detector.

- Al doilea scop este sa formeze pulsurile, schimbandu-le forma, dar fara a altera rapoartele de amplitudine (Fig.3.7). Formarea este necesara pentru a impiedica suprapunerea pulsurilor apropiate ('pile-up'), pentru a evita pe cat posibil influenta zgomotului si pentru a putea fi folosite de circuitele de sortare (discriminare).

In acest sens amplificatorul liniar are o serie de circuite standardizoare, care transforma impulsurile de la intrare ce prezinta variatii de forma, durata si amplitudine, in impulsuri de aceeasi forma si durata constanta, apte pentru analizare si numarare.

Amplificarea realizata este reglabila brut - in trepte - si fin - in mod continuu, intre doua trepte. Treptele au in mod uzual valorile: 2, 4, 8, 16 etc., iar reglajul fin se face cu un potentiometru elicoidal cu 1000 de diviziuni.

Intrarea in amplificator se face prin doua borne: una pentru pulsurile pozitive si alta pentru pulsurile negative. Asa cum se observa din Fig.3.7, la iesirea amplificatorului, pulsul este bipolar, sinusoidal si bine limitat in timp.

Fig.3.7. Formarea pulsului intr-un amplificator liniar

Stabilitatea amplificarii si pastrarea liniaritatii intr-un astfel de amplificator se realizeaza prin utilizarea reactiei negative. Aceasta duce insa la largirea benzii de frecvente a amplificatorului. Negativarea presupune intoarcerea la intrarea unui etaj de amplificare, in opozitie de faza, a unei parti (βU) din semnalul de iesire U, de catre un circuit special dupa schema din Fig.3.8. Semnalul de iesire este:

unde U_i este semnalul etajului anterior de amplificare. Din (3.14) rezulta:

Fig.3.8. Reactia de negativare

Sa notam. Daca amplificarea A este de ordinul 10 , atunci βA>>1 si A' 1/β. Deci amplificarea devine independenta de valoarea A a amplificarii pe care o da partea activa a etajului de amplificare. In felul acesta, daca dintr-un motiv oarecare, cum ar fi variatia tensiunilor de alimentare, A variaza, amplificarea cu reactie negativa se modifica nesemnificativ. Presupunem β=10 . Daca A scade de la valoarea 10 la 10 , A' ramane practic 100. Negativarea mentine astfel stabilitatea amplificarii. Distorsiunile se reduc de asemenea de βA ori.

3.2.3. Analizori (discriminatori) de amplitudine

Analizorul de amplitudine (discriminatorul) este un circuit cu o caracteristica de transfer discontinua. Semnalul la iesire va exista numai in cazul in care amplitudinea semnalului de intrare depaseste o anumita valoare de prag. Pragul de discriminare V_p poate fi modificat in limite largi (0-10V) si foarte stabil, astfel ca pulsurile a caror amplitudine este mai mica decat pragul nu trec prin discriminator, fiind eliminate.

Selectia impulsurilor corespunzatoare anumitor energii se poate face in doua feluri:

- selectarea tuturor impulsurilor care depasesc un anumit prag de discriminare, functie indeplinita de discriminatorii integrali.

- selectarea doar a impulsurilor a caror amplitudini sunt cuprinse intre doua praguri (inferior V si superior V+ΔV) care definesc 'fereastra ΔV' a discriminatorilor diferentiali.

a) Discriminatori integrali.

Cel mai simplu element discriminator este dioda tunel polarizata invers (Fig.3.9).

Fig.3.9 Dioda tunel

Pe anoda diodei se aplica o tensiune negativa V_p. Daca la intrare apare un semnal pozitiv de amplitudine V_o>V_p, atunci pe anod va actiona tensiunea V_o-V_p si prin dioda va trece curent. Semnalele de amplitudine V<V_p nu reusesc sa deblocheze dioda fiind astfel oprite. Aceasta schema are dezavantajul ca dioda fiind sensibila la variatia de temperatura, pragul de discriminare se va schimba cu temperatura.

Un alt circuit folosit ca discriminator in analizoarele de amplitudine este cel al lui Schmitt (Fig.3.10). Acesta este un circuit bistabil avand doua stari, cand T conduce si T este blocat, respectiv T este blocat si T conduce. Tranzistorii sunt legati intr-o bucla de reactie pozitiva printr-un cuplaj rezistiv R R . De asemenea emiterul lui T este legat cu emiterul lui T

Fig.3.10.Trigger Schmitt

In stare initiala T este blocat si T conduce. Un semnal pozitiv de intrare pe baza lui T produce o negativare (puls) pe colectorul sau si pe baza lui T . Emiterul lui T este de asemenea negativat si aceasta negativare este transmisa la emiterul lui T (cuplajul catodic in circuit cu tuburi). Negativarea emiterului se adauga la efectul semnalului pozitiv pe baza. Daca semnalul pozitiv de la intrare are o amplitudine suficienta (V_o>V_p) el produce o trecere rapida a lui T in stare de conductie si T este blocat. Pe rezistenta R_e se culege atunci un semnal de iesire dreptunghiular. Nivelul de discriminare V_p poate fi reglat cu potentiometrul R_p

b) Discriminatori diferentiali.

Schema functionala a unui discriminator diferential (DD) este prezentata in Fig.3.11.

Fig.3.11.Schema unui discriminator diferential

Acesta se compune din doi discriminatori integrali cu nivelele de discriminare V (pragul inferior) si V+ΔV (pragul superior) ale caror iesiri sunt cuplate la un circuit de anticoincidenta(CA) si un formator F de impulsuri. Circuitul DD transfera mai departe doar impulsurile a caror amplitudine este cuprinsa intre V si V+ΔV. ΔV este largimea canalului sau fereastra.

In schema din fig.3.12. este prezentat un circuit de anticoincidenta. Dioda D este blocata datorita polarizarii (+E ), iar D conduce datorita tensiunii negative (-E

Fig.3.12. Schema unui circuit de anticoincidenta

Daca la intrarea P apar impulsuri pozitive, atunci D este blocata, iar U_ies creste pe durata impulsului pozitiv.

Daca un impuls pozitiv apare la P simultan cu unul negativ la P , dioda D conduce (prin D ) si tensiunea de iesire (U_ies) este anulata. Astfel iesirea este blocata cand un impuls pozitiv apare la P simultan cu un impuls negativ la P . Daca toate impulsurile sunt pozitive, la una din porti (ex. P ) se face o inversare a acestora (cu ajutorul a doua bobine) ca in fig.3.12, pentru ca circuitul de anticoincidenta sa poata functiona.

Fig.3.13

Sa consideram ca DD din fig.3.12 primeste in timp impulsuri de diferite amplitudini (fig.3.13). Impulsul 1 nu trece mai departe avand amplitudinea mai mica decat pragul inferior (V). Cel de al doilea trece peste pragul inferior, generandu-se astfel un impuls pozitiv la poarta P a CA, in timp ce la poarta P nu apare nici un impuls deoarece amplitudinea 2 este mai mica decat pragul superior V+ΔV.

Circuitul de anticoincidenta va furniza in acest caz la iesire un semnal dreptunghiular. Impulsul 3 are o amplitudine mai mare decat V+ΔV generand astfel un impuls pozitiv la P si simultan (in coincidenta) unul negativ la P , astfel incat CA nu furnizeaza nici un semnal la iesire. Rezulta astfel ca din cele cinci impulsuri, de diferite amplitudini, vor trece mai departe pentru a fi numarate doar impulsurile 2 si 4, a caror amplitudine este cuprinsa intre V si V+ΔV. Restul semnalelor, mai mici sau mai mari, vor fi discriminate.

3.2.4. Analizorul mono-si multicanal.

a) Un analizor de amplitudine continand un singur discriminator diferential, urmat de un numarator (Fig.3.14), formeaza asa-numitul analizor monocanal SCA (Single Channel Analyser).

Fig.3.14. Schema bloc a unui analizor monocanal (SCA)

Acesta numara la un moment dat numai impulsurile a caror amplitudine intra in 'fereastra' analizorului (V si V+ΔV), deci pe un anumit 'canal'. Pragul inferior poate fi deplasat de-a lungul unei game largi de valori () si foarte stabil. In tot acest timp largimea ferestrei (ΔV) este mentinuta constanta. Deoarece amplitudinea impulsurilor contine informatia despre energia radiatiei detectate, pragul inferior V se noteaza cu E, iar fereastra ΔV cu ΔE. Analizorul monocanal permite astfel trasarea spectrului de amplitudini, deci al spectrului energetic caracteristic radiatiei studiate prin deplasarea ferestrei in pozitii succesive, modificand valorile pragului, pe toata intinderea spectrului.

De exemplu, daca spectrul de amplitudini al pulsurilor se intinde intre 0 si 10 V; cu o fereastra de 0,2 V se pot obtine 50 de valori (canale) putandu-se astfel indica numerele de pulsuri cu amplitudinea cuprinsa in fiecare din intervalele Aceste intervale poarta denumirea de canale, de unde si denumirea modulului - analizor multicanal. Intr-o masuratoare se determina numarul de pulsuri cu amplitudinea cuprinsa intr-un canal.

Fiecare din cele 50 de masuratori se face pe aceeasi durata de timp, iar graficul: nr. de impulsuri in functie de numarul de canale reprezinta spectrul energetic (Fig.3.15). Punctele experimentale (nr. impulsuri) se reprezinta asezate la jumatatea intervalului (canalului) de amplitudine (energie) corespunzator.

Fig.3.15. Spectrul energetic γ ridicat cu analizorul monocanal

Astfel punctul care arata cate pulsuri are amplitudinea cuprinsa intre 0,4 si 0,6 V (canal 3) se reprezinta in dreptul abscisei 0,5 V etc.

De regula un modul SCA lucreaza atat ca analizor monocanal cat si ca un discriminator integral, selectarea regimului de lucru facandu-se de pe panoul modulului respectiv.

Uzual pe pozitia DIFF (diferential) lucreaza ca analizor monocanal (SCA), iar pe pozitia INT lucreaza in regim integral, fereastra fiind scoasa din functiune in acest din urma caz. Se pot obtine astfel spectre inregistrate atat in regim diferential cat si integral. Spectrul in regim diferential este de fapt derivata celui din regim integral.

b) Spectrul energetic (γ) se poate ridica si deodata, cand sortarea pulsurilor de intrare in functie de amplitudine se face concomitent pe mai multe canale prin folosirea simultana a mai multor analizori monocanal. Un astfel de selector se numeste analizor multicanal. O schema de principiu a analizorului multicanal este data in Fig.3.16.

Fig.3.16. Schema si principiul de functionare ale unui analizor multicanal

Impulsurile de la blocul de intrare ataca simultan toti discriminatorii D , D ,, D_n, ale caror praguri sunt astfel alese incat sa formeze canale de largime ΔV, iar pragul superior al discriminatorului D_i coincide cu pragul inferior al discriminatorului D_i+1. Pulsurile de la iesirile discriminatorilor trec prin circuitele de anticoincidenta (CA_i) care genereaza la iesire pulsuri corespunzatoare doar pulsurilor de intrare ce au amplitudinea cuprinsa in canalului respectiv (V_i si V_i+ΔV). Aceste pulsuri sunt apoi numarate, fiecare numarator N_i numarand doar pulsurile de o anumita amplitudine (dintr-un anumit canal).

Fie de exemplu o serie de impulsuri de amplitudini diferite la intrarea analizorului multicanal (Fig.3.16b). Discriminatorul D da un puls la iesire corespunzator impulsului de intrare 1. Discriminatorul D da trei impulsuri, pentru 1, 3 si 6, discriminatorul D da la iesire patru impulsuri, pentru 1,3,4 si 6, iar D da sapte impulsuri, pentru 1,2,3,4,5,6,7. Circuitele de anticoincidenta vor lasa sa treaca asa cum se stie numai impulsurile necoincidente. Astfel CA permite sa treaca in primul canal impulsurile necoincidente 2, 5 si 7 de la discriminatorii D si D ; CA impulsul 4 (anticoincidenta intre impulsurile de la D si D ), iar CA impulsurile 3 si 6 (anticoincidenta intre pulsurile de la D si D In felul acesta s-au selectat impulsurile dupa amplitudine pe diferite canale: trei (2,5,7) pe canalul 1, unul (4) pe canalul 2 si doua (3,6) pe canalul 3.

Analizoarele multicanal ce se realizeaza astazi sunt insa ansambluri de masura mult mai complexe care permit analiza si prelucrarea complexa a informatiei ce rezulta dintr-o experienta.

Informatia analoga, continuta in pulsurile aplicate la intrarea analizorului este convertita intr-o marime digitala (fig.3.17) cu ajutorul unui convertor analog-digital (ADC). Informatia digitalizata de ADC este trecuta intr-un registru de adrese al canalelor si apoi in memoria anlizorului. Citirea datelor se face prin vizualizarea pe tub catodic sau inregistrarea lor pe hartie perforata, banda magnetica, plotare etc.

Principiul conversiei analog-digitala este prezentata in fig.3.17. Un convertor amplitudine-timp (CAT) transforma impulsul de intrare de o anumita amplitudine intr-un puls a carui durata T_i este proportionala cu amplitudinea celui de intrare (a_i). Acest puls declanseaza deschiderea portii liniare (PL) pe toata durata sa T_i, timp in care prin poarta vor trece un numar N de pulsuri de la generatorul (GP) de inalta frecventa ( imp/sec) ce sunt apoi numarate. Numarul N de impulsuri

Fig.3.17. Principiul conversiei analog-digitala

este proportional cu amplitudinea pulsului de intrare in CAT si astfel informatia analoga a fost transformata intr-una digitala (numar). De regula, primul puls generat de generatorul (GP) are rolul de a inchide intrarea analizorului, astfel ca un alt puls de la intrare nu poate fi analizat pana nu s-a incheiat analiza pulsului precedent. Ultimul puls dat de generator comanda ciclul de memorare al informatiei digitale, care contine urmatoarele etape:

- stergerea registrului aritmetic (RA)

- transferarea informatiei din canalul de memorie in registrul aritmetic

- adunarea sau scaderea valorii '1' la continutul canalului citit in registrul aritmetic

- transferarea numarului obtinut la punctul anterior din registrul de adrese in memorie.

Odata cu terminarea ciclului de memorare se comanda deschiderea intrarii analizorului care este gata sa primeasca un nou puls de intrare.

Analizoarele multicanal primesc de regula la intrarea ADC pulsuri pozitive unipolare sau bipolare cu amplitudinea cuprinsa intre 0 si 10 V, cu fronturi de crestere >250 ns, de durata 0,5-30 μs si ciclul repetare de ordinul μs. Pulsurile de la intrare sunt impartite intr-un numar oarecare de unitati elementare de amplitudine; numarul acestor unitati elementare defineste numarul de canale al analizorului respectiv. Fireste, cu cat numarul de canale este mai mare cu atat fidelitatea analizei informatiei analoge creste. Uzual analizoarele multicanal de amplitudine au 512, 1024 sau 4096 canale. Dintre cele mai performante tipuri de analizoare multicanal le mentionam pe cele fabricate de firmele ORTEC si CANBERRA.

Analizoarele multicanal pot efectua o serie de masuratori deosebit de utile ca: extragerea fondului, inregistrarea logaritmica a spectrelor, inregistrarea detaliata a anumitor portiuni din spectru, etalonarea energetica, calculul ariei picurilor etc.

In operatia de extragere a fondului, analizorul inregistreaza mai intai spectrul cercetat, apoi se indeparteaza sursa si analizorul inregistreaza 'prin scadere' fondul mediului inconjurator. Evident timpul de scadere va fi egal cu cel de inregistrare a spectrului.

Deseori intalnim spectre in care unele linii energetice sunt cu cateva ordine de marime mai intense decat altele. In acest caz, inregistrarea logaritmica a spectrului complex favorizeaza deosebit de mult observarea liniile slabe ca intensitate in prezenta celor intense.

Cand in spectrul inregistrat intereseaza o anumita portiune cuprinsa intr-un anumit interval de canale, analizorul multicanal permite detalierea acestei zone prin transpunerea portiunii respective din spectru pe mai multe canale.