Зарядо-чувствительные усилители сигналов детекторов ионизирующих излучений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Дьячков, Игорь Арсеньевич

• Дьячков, Игорь Арсеньевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дьячков, Игорь Арсеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Общая характеристика, требования к параметрам и схемотехника ЗЧУ.

1.1. Общая характеристика и классификация.

1.2. Требования к параметрам.

1.3. Функциональные особенности и структурная схема ЗЧУ.

1.4. Схемотехника ЗЧУ.

1.4.1. Головные каскады.

1.4.2. Промежуточные каскады.

1.4.3. Выходные каскады.

1.4.4. Внутренние источники опорного напряжения.

1.4.5. Схемы обеспечения и стабилизации режимного тока.

1.5. Разновидности схем ЗЧУ.

Выводы.

ГЛАВА 2. Анализ зарядовой чувствительности, частотных и шумовых характеристик ЗЧУ.

2.1 Зарядовая чувствительность :;.■.

2.2. Анализ частотных и временных характеристик зарядовой чувствительности.

2.3. Шумы элементов ЗЧУ и детектора.

2.4. Методика оптимизации шумового заряда ЗЧУ и детектора.

2.5. Расчет и анализ шумового заряда ЗЧУ с ПТ на входе.

2.5.1. Расчет шумового заряда ЗЧУ и детектора.

2.5.2. Преобразование эквивалентной шумовой схемы ЗЧУ совместно с детектором.

2.5.3. Анализ шума компонентов ЗЧУ и детектора.

2.5.4. Анализ шумов элементов первого каскада усилителя и резистора обратной связи.

2.5.5. Анализ шума второго и последующих каскадов ЗЧУ.

2.5.6. Сравнение результатов аналитического и компьютерного расчета шума ЗЧУ и детектора.

2.6. Расчет и анализ шумового заряда ЗЧУ с БТ на входе.

2.6.1. Расчет шумового заряда для полной эквивалентной шумовой схемы ЗЧУ совместно с детектором.

2.6.2. Преобразование эквивалентной шумовой схемы ЗЧУ и детектора.

2.6.3. Анализ шума компонентов ЗЧУ и детектора.

2.6.4. Расчет и оптимизация шумов элементов первого каскада и резистора обратной связи.

2.6.5. Анализ шума второго и последующих каскадов ЗЧУ.

2.6.6. Сравнение результатов аналитического и компьютерного расчета шума ЗЧУ и детектора.

2.7. Пути снижения шумового заряда ЗЧУ и детектора при различных соотношениях параллельных и последовательных шумов.

Выводы.

ГЛАВА 3. Обобщенные показатели качества ЗЧУ.

3.1. Назначение обобщенных показателей качества.

3.2. Ресурс стабильности зарядовой чувствительности.

3.3. Ресурс линейности.

3.4. Динамический диапазон ЗЧУ.

3.5. Ресурс зарядовой чувствительности ЗЧУ.

3.6. Оценка быстродействия, скорости обработки сигналов и некоторые другие характеристики ЗЧУ.

3.7. Обобщенные критерии качества ЗЧУ.:.

Выводы.

ГЛАВА 4. Проектирование ЗЧУ.

4.1. Постановка задачи проектирования.

4.2. Методика оптимального проектирования ЗЧУ.

4.3. Начальные этапы проектирования.

4.4. Параметрическая оптимизация.

4.4.1. Постановка математической задачи оптимального проектирования.

4.4.2. Методика оптимизации ЗЧУ.

4.4.3. Классификация методов оптимального поиска экстремума.

4.4.4. Особенности методов оптимального поиска.

4.4.5. Особенности предложенной программы параметрического оптимального поиска и сравнение ее с программой Optimizer.

4.5. Особенности технологии изготовления интегральных ЗЧУ.

4.5.1. Особенности применения ПТ на основе р-n перехода.

4.5.2. Особенности КМОП технологии.

4.5.3. Особенности применения биполярной технологии.

4.5.4. Особенности использования совмещенных технологий.

4.5.5. Заказная и полузаказная технологии монолитных интегральных схем.

4.5.6. Гибридная технология.

4.5.7. Полевые транзисторные структуры на основе GaAs.

4.5.8. Особенности технологии изготовления резисторов обратной связи.

4.6. Особенности конструкции и топологии ЗЧУ.

4.7. Особенности проектирования принципиальных схем монолитных интегральных микросхем.

4.8. Пример проектирования схемы ЗЧУ.

Выводы.

ГЛАВА 5. Практические схемы ЗЧУ.

5.1 Гибридная интегральная микросхема ЗЧУ У И 2546.

5.2. Способ улучшения шумового заряда, динамического диапазона и коэффициента усиления ЗЧУ.

5.3. Интегральная микросхема ЗЧУ 1432УП1.

5.4. Схема ЗЧУ на базе интегральной микросхемы KP 1407УД2.

5.5. Структура интегрального ЗЧУ для случая сильных помех и наводок по цепям питания.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зарядо-чувствительные усилители сигналов детекторов ионизирующих излучений»

Зарядо-чувствительные усилители находят свое применение в электронных приборах для экспериментов ядерной физики, физики элементарных частиц, приборах для измерения уровня радиации, в измерительной технике и системах управления.

Актуальность диссертации

Анализ схем различных каналов электронной аппаратуры для ядерно-физических экспериментов, проводимых в крупных Российских исследовательских институтах, таких как РНЦ "Курчатовский институт" (Москва), ОИЯИ (Дубна), ИТЭФ, НИИ ЯФ МГУ, СНИИП, ВНИИА, НИИ ИТ (Москва), ИЯИ (Троицк), ИФВЭ (Протвино) и зарубежных исследовательских центрах CERN (Швейцария), DESY и GSI (Германия), INFN (Италия), RAL (Великобритания) и других научных организациях, показал, что важнейшим узлом аналогового канала съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений является зарядо-чувствительный усилитель (ЗЧУ). В детекторной электронике наблюдается постоянная тенденция уменьшения габаритов и массы ^аппаратуры детектирования ионизирующих излучений, и в частности ее базового узла-ЗЧУ, поэтому весьма перспективной является разработка и создание ЗЧУ в виде микросхем.

Дальнейшее развитие ядерной физики и физики элементарных частиц, измерительной техники и систем управления требует улучшения качественных показателей электроники для детекторов ионизирующих излучений в целом и параметров ЗЧУ в частности. Это касается одновременного снижения его шумового заряда и потребляемой мощности, увеличения быстродействия, загрузочной способности и динамического диапазона. Улучшение данных показателей ЗЧУ является актуальной задачей и вызывает необходимость совершенствования их новых принципиальных схем.

ЗЧУ изготовлялись сначала преимущественно на электронных лампах. Большой вклад в развитие теории и схемотехники усилителей данного класса и их отдельных каскадов внесли авторы публикаций [1.6] (1950. 1970 годы). С развитием полупроводниковой технологии ламповые варианты ЗЧУ стали заменяться транзисторными (1970. 1980 годы) [7. 10]. В дальнейшем с совершенствованием транзисторов и массовым производством микросхем схемотехника ЗЧУ продолжала развиваться, что отражено в книгах и статьях [11. 14] (с 1980 года по настоящее время). Следует отметить, что в России до последнего времени ЗЧУ не изготовлялись в виде полупроводниковых ИС, что подчеркивает важность их создания.

В литературе к моменту начала работы над диссертацией (1997г.) отсутствовали обобщенные показатели качества ЗЧУ, в полной мере отражающие их возможности с учетом присущих только им специфических параметров и особенностей. Оценка качественных показателей целесообразна при проектировании и сравнении ЗЧУ, что обуславливает введение обобщенных критериев, включающих в себя совокупность параметров ЗЧУ. Не было уделено достаточного внимания совокупной оценке и оптимизации шума ЗЧУ и детектора, позволяющей выбрать необходимую элементную базу для изготовления усилителя, что обуславливает необходимость их проведения. Не использовалось понятие предельной зарядовой чувствительности усилителя, которое позволяло бы оценить предельные усилительные возможности ЗЧУ.

Для обеспечения нормального функционирования ЗЧУ в случае значительных наводок на цепи питания необходимы встраиваемые в усилитель и не содержащие регулирующих элементов источники напряжения-фильтры (ИНФ). Они позволяют обеспечивать фильтрацию наводок и пульсаций и более эффективно использовать напряжение питания. Структурные и принципиальные схемы ИНФ в литературе рассмотрены не достаточно подробно, что подчеркивает целесообразность их разработки.

Приведенные выше факты позволяют утверждать, что несмотря на относительно большое количество известных вариантов ЗЧУ, разработка усилителей данного типа на современной элементной базе, удовлетворяющих комплексу требований аппаратуры для ядерной физики, физики элементарных частиц, измерительной техники и систем управления является актуальной научно-технической задачей. Цель диссертации

Целью диссертации является развитие теории ЗЧУ и методики их проектирования, включающей инженерный расчет и минимизацию шумового заряда усилителей, оценку показателей качества усилителей, создание и исследование малошумящих ЗЧУ в дискретном, гибридном и полупроводниковом исполнениях.

Достижение данной цели предусматривает решение следующих задач: -анализ различных вариантов построения ЗЧУ, исследование их свойств и особенностей, исследование схем отдельных каскадов ЗЧУ и их сравнение по основным параметрам;

-классификация современных вариантов ЗЧУ по ряду признаков; -анализ шумов активных и пассивных элементов усилителя; -разработка методики инженерного расчета и минимизации шума ЗЧУ; -вывод соотношений, связывающих параметры элементов ЗЧУ, позволяющих для типовых схем усилителей выбрать требуемую элементную базу и режим транзисторов отдельных каскадов по постоянному току для минимизации шума;

-создание методики расчета максимально допустимого шумового заряда ЗЧУ, используемого в составе аппаратуры для физического эксперимента;

-вывод аналитической зависимости коэффициента передачи по заряду от параметров схемы ЗЧУ и фактора ОС по заряду;

-расчет нестабильности коэффициента передачи по заряду при изменении параметров схемы;

-вывод критериев качества ЗЧУ;

-сравнение различных схемотехнических вариантов ЗЧУ по предложенным показателям качества;

-выбор целевой функции, включающей в себя основные параметры ЗЧУ и создание программы, позволяющей проводить параметрическую оптимизацию принципиальной схемы на компьютере в автоматическом режиме;

-проектирование и изготовление ЗЧУ в полупроводниковом, гибридном и дискретном исполнении для их последующего использования в аналоговых трактах съема и обработки сигналов, исследование свойств созданных усилителей в составе аппаратуры детектирования ионизирующих излучений.

Научная новизна

1. Введены и обоснованы обобщенные критерии качества, которые позволяют более объективно производить сравнение различных вариантов ЗЧУ. Проведен сравнительный анализ известных на сегодняшний день схем ЗЧУ по предложенным критериям качества, что позволяет выбрать наиболее подходящие варианты ЗЧУ для конкретных экспериментов.

2. Впервые введен новый параметр, характеризующий ЗЧУ - предельная зарядовая чувствительность, позволяющий оценивать максимально возможный коэффициент преобразования входного заряда в выходное напряжение. Данная величина дает возможность судить о предельных усилительных возможностях ЗЧУ.

3. Развита методика проектирования ЗЧУ, позволяющая сократить время их проектирования и улучшить совокупность ключевых параметров усилителей.

4. Предложены критерии аддитивной целевой функции, для которой в процессе выполнения программы оптимального поиска находится глобальный экстремум по ряду параметров: шумовой заряд, коэффициент усиления, время нарастания, динамический диапазон, интегральная нелинейность, потребляемая мощность. Использование данных критериев дает возможность обеспечить улучшение указанных его параметров.

5. Разработана методика минимизации шумового заряда ЗЧУ, которая позволяет получать сравнительно простую его аналитическую зависимость от параметров схемы и детектора. Предложены рекомендации по снижению шума ЗЧУ с учетом влияния детектора при различных соотношениях параллельной и последовательной составляющих шума усилителя, которые позволяют обеспечить максимальное энергетическое разрешение аналогового тракта.

Практическая ценность

1. Разработана новая структурная схема ЗЧУ. Реализация усилителя в соответствии с предложенной структурной схемой позволяет одновременно увеличить его динамический диапазон приблизительно в 2,5 раза и коэффициент усиления ориентировочно в 1,8 раза по сравнению с этими величинами классических вариантов схем.

2. Впервые в России на базе биполярно-полевой комплементарной технологии ГУП НПП «Пульсар» реализована полупроводниковая микросхема ЗЧУ 1432УП1, принципиальная схема которой отвечает предложенной структурной схеме. Параметры данной ИС следующие: коэффициент усиления 25000; время нарастания 10нс; шумовой заряд 43 электрона при постоянной времени формирования бмкс; размах выходного напряжения ±8В. ЗЧУ с использованием ИС 1432УП1 по совокупности достигнутых характеристик не уступает, а по шумовому заряду превосходит известные аналоги ведущих зарубежных фирм: Ortec 142А (фирма EG&G Ortec, США) и CAEN (фирма Caen, Италия).

3. Разработана и изготовлена гибридная микросхема ЗЧУ УИ2546, что позволило получить следующие параметры: шумовой заряд 190е на постоянной времени формирования 1мкс, время нарастания 10нс. По совокупности параметров ГИС УИ2546 не уступает известным зарубежным аналогам CEA 588 (фирмы СЁА, Франция) и Ortec 142С (EG&G Ortec, США). Возможность регулирования режимного тока ГИС позволяет получать требуемое быстродействие и уровень шума при минимально возможном потреблении для конкретного детектора.

4. Предложен новый тип устройств, относящихся к классу управляемых источников - источники напряжения, управляемые зарядом (ИНУЗ), что позволяет более объективно оценивать требуемую передаточную характеристику ЗЧУ и формализовать процедуру их проектирования, а также процедуру проектирования аналоговых электронных каналов обработки сигналов детекторов и других систем управления.

5. Разработана структурная и принципиальная схемы внутренних источников напряжения-фильтров. Их использование в составе интегрального ЗЧУ позволяет без дополнительных регулировок устанавливать внутренние напряжения питания усилителя несколько ниже постоянных напряжений внешнего источника питания и одновременно дает возможность снизить влияние пульсаций источника питания и наводок по цепям питания на работу ЗЧУ, а также обеспечить низкие собственные шумы источника питания.

Реализация результатов диссертации

Диссертация выполнена на кафедре электроники МИФИ и неразрывно связана с работами по договорам: № 96-3-003-051, № 97-3-026-207, № 99-3-026-207, № 81-3007-682. Результаты диссертации были также использованы в договорах Международного научно-технического центра (МНТЦ) № 254 и № 596, Московской городской программе «Конверсия городу» и программе ОИЯИ «Нейтронное исследование конденсированных сред».

В ГУП НПП «Пульсар» внедрена в производство микросхема ЗЧУ 1432УП1, что позволило снизить шумовой заряд, увеличить динамический диапазон и коэффициент усиления, а также снизить цену усилителя по сравнению с ЗЧУ А250 известной фирмы Ашр1ек.

В НИИ ЯФ МГУ разработанные ЗЧУ были включены в состав спектрометра по регистрации ионизирующих излучений, что позволило улучшить его энергетическое разрешение и снизить потребляемую мощность.

Материалы диссертации, в частности: анализ частотных характеристик ЗЧУ, расчет шумовых характеристик ЗЧУ и особенности схемотехники ЗЧУ использовались в лекциях и практических занятиях проводимых в МИФИ по курсам "Основы электроники" и "Аналоговые электронные схемы".

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты сравнительного анализа различных схем ЗЧУ и технологий их изготовления, позволяющие выбрать наиболее перспективный вариант усилителя для конкретных условий физического эксперимента.

2. Методика проектирования ЗЧУ, которая включает автоматизированный поиск экстремума целевой функции на ЭВМ, позволяющий одновременно использовать результаты анализа частотных и характеристик и переходных процессов.

3. Обобщенные параметры качества ЗЧУ, инвариантные фактору обратной связи, введение каждого из которых позволяет оценивать качество ЗЧУ одновременно по нескольким параметрам: шумовому заряду, времени нарастания фронта выходного напряжения, коэффициенту передачи, его стабильности и линейности.

4. Инженерная методика аналитической минимизации шумового заряда ЗЧУ с учетом влияния детектора, которая позволяет получать простые аналитические соотношения параметров детектора и компонентов усилителя, определяющие требования к детектору и элементной базе для построения ЗЧУ.

5. Разработанная структурная и принципиальная схема монолитной микросхемы ЗЧУ 1432УП1, позволившую получить недостижимую ранее для монолитных микросхем ЗЧУ совокупность параметров: коэффициента усиления, динамического диапазона, шумового заряда и быстродействия, что позволяет увеличить энергетическое разрешение каналов электроники для физического эксперимента и точность временных измерений.

Апробация диссертации

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конгрессах, конференциях и семинарах:

-международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Москва, 1996г.);

-международной научно-практической конференции по использованию достижений науки и техники в развитии городов (Москва, 1996г.);

-3м международном совещании «Микросистемы в мониторинге окружающей среды» (Москва, 1996);

-52ой научной сессии Российского Научно-технического Общества Радиотехники Электроники и Связи им. А.С.Попова (Москва, 1997г.);

-10М международном симпозиуме «Системы сбора данных для нейтронных спектрометров» (Дубна, 1997г.);

-2ой открытой научной конференции молодых ученых и специалистов (Дубна, 1998г);

-Всероссийской конференции «Проблемы сертификации и управления качеством» (Ульяновск, 1998г);

-20М международных симпозиумах «Системы сбора данных для нейтронных спектрометров» (Дубна, 2000г.);

-научных семинарах по проекту МНТЦ №254 (Москва, 1996. .97гг.);

-научных сессиях МИФИ (98. .2000, 2002);

-57ой научной сессии Российского Научно-технического Общества Радиотехники Электроники и Связи им. А.С.Попова (Москва, 2002г.).

Материалы диссертации нашли свое отражение в 18 публикациях и вошли в качестве составной части в 6 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; она изложена на 216 страницах, включая 110 страниц печатного текста, 66 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 130 наименований на 9 страницах и приложения на 38 страницах.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Дьячков, Игорь Арсеньевич

Выводы

1. Предложена новая структурная схема ЗЧУ. В соответствии с данной схемой разработана принципиальная схема ЗЧУ. При типовых параметрах интегральных транзисторов построение ЗЧУ по данной схеме дает увеличение общего коэффициента усиления ЗЧУ приблизительно в 1,8 раза и динамического диапазона в 2,5 раза по сравнению с общеизвестными схемами ЗЧУ.

2. В соответствии с разработанной принципиальной схеме изготовлена первая в России монолитная интегральная микросхема ЗЧУ 1432УП1, что позволило впервые для техники монолитных интегральных ЗЧУ с внешним полевым транзистором на входе получить недостижимую ранее для монолитных ИС совокупность указанных выше

-165параметров: коэффициент усиления ЗЧУ 25000, время нарастания для малых сигналов 10нс, площадь усиления 2ГГц, шумовой заряд при постоянной времени формирования импульса бмкс - 43 электрона +3,2 электрона/пФ. ЗЧУ с использованием ИС 1432УП1 по совокупности достигнутых характеристик не уступает, а по шумовому заряду и динамическому диапазону превосходит известные аналоги ведущих зарубежных фирм Ortec и Caen.

3. Разработана гибридная микросхема ЗЧУ УИ2546. По совокупности параметров ЗЧУ не уступает известным зарубежным аналогам фирм CEA, Франция и EG&G Ortec, США. Возможность регулирования режимного тока данного усилителя позволяет получать требуемое быстродействие при минимально возможном потреблении.

4. Предложена структурная схема интегрального ЗЧУ с внутренними источниками напряжения-фильтрами. Использование предложенной структурной схемы позволяет снизить влияние пульсаций источника питания и наводок по цепям питания на работу ЗЧУ и снизить габариты ЗЧУ.

5. Разработана принципиальная схема источника напряжения-фильтра, позволяющего обеспечить автоматическую установку внутреннего напряжения питания ЗЧУ ниже на 0,5В постоянного напряжения внешнего источника питания, что дает возможность использовать источники с разным напряжением питания и осуществлять фильтрацию пульсаций и наводок.

Заключение

В диссертации проведен комплекс исследований по оптимальному проектированию аналоговых схем детекторной электроники. Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

Основным научным результатом является развитие теории и методики проектирования ЗЧУ, разработка и изготовление малошумящих усилителей в том числе в полупроводниковом и гибридном исполнении, что в итоге позволило улучшить энергетическое разрешение, динамический диапазон, быстродействие и другие параметры аппаратуры физического эксперимента.

Основным теоретическим результатом является введение показателей качества ЗЧУ, разработка методики минимизации шумового заряда и критериев целевой функции для оптимизации ЗЧУ.

Частные теоретические результаты:

1. Предложен новый тип управляемых источников - источники напряжения, управляемые зарядом, что дает возможность характеризовать ЗЧУ на функциональном уровне, составлять эквивалентные схемы каналов обработки сигналов детекторов ионизирующих излучений и формализовать процедуру их проектирования.

2. Введен новый параметр, характеризующий ЗЧУ - предельная зарядовая чувствительность, позволяющий оценить потенциальные предельные усилительные возможности конкретного ЗЧУ.

3. Развита методика проектирования ЗЧУ, включающая выбор элементной базы, параметрическую оптимизацию ряда усилителей на компьютере, выбор наилучшего варианта и его моделирование с учетом топологии и взаимовлияния элементов, которая позволяет сократить время разработки усилителей за счет применения предложенной программы оптимизации (в среднем на 25%.30%) и улучшить основные параметры ЗЧУ на (ориентировочно на 15.25%).

4. Разработана методика оптимизации шумового заряда ЗЧУ, позволяющая получить сравнительно простую аналитическую зависимость шумового заряда от параметров схемы и детектора и улучшить энергетическое разрешение усилителя в совокупности с детектором.

5. Предложены рекомендации по снижению шума ЗЧУ с учетом влияния детектора при различных соотношениях вкладов параллельного и последовательного шума ЗЧУ, которые позволяют улучшить энергетическое разрешение аналогового тракта детекторной электроники.

-1676. Выведены обобщенные параметры качества ЗЧУ позволяющие проводить сравнение различных схемотехнических вариантов ЗЧУ. Проведен сравнительный анализ известных на сегодняшний день схем ЗЧУ по предложенным критериям качества. Выбраны наиболее подходящие варианты ЗЧУ для различных условий применения.

7. Предложены критерии для целевой функции, которая минимизируется в процессе параметрической оптимизации ЗЧУ, позволяющие проводить параметрическую оптимизацию принципиальной схемы усилителя и получить улучшение ряда его параметров.

8. Для типовых схем ЗЧУ получены аналитические соотношения между параметрами элементов, позволяющие минимизировать вклад их шума в общий шум усилителя и выбрать элементную базу для изготовления ЗЧУ.

Основным практическим результатом является разработка структурной и принципиальной схемы ЗЧУ и изготовление усилителя в виде полупроводниковой микросхемы 1432УП1, мелкосерийный выпуск которой налажен в ГУП НПП "Пульсар". Частные практические результаты:

1. Спроектирована и изготовлена в ФГУП НИИ Импульсной техники гибридная микросхема ЗЧУ УИ2546 для аппаратуры физического эксперимента.

2. Разработана программа параметрической оптимизации ЗЧУ для ЭВМ на основе комплексной целевой функции электрических параметров ЗЧУ, позволяющая оптимизировать параметры, в которые одновременно входят результаты расчета переходных процессов и частотного анализа, такие как отношение сигнал-шум и шумовой заряд ЗЧУ.

3. Спроектирован и изготовлен ЗЧУ на базе серийной ИС 1407УД1, характерной особенностью которого является относительно малый ток потребления от источника питания (1мА).

4. Разработан и изготовлен электронный тракт для работы с нейтронными счетчиками на базеИС 1432УП1, 1432УД2А.

5. Предложены рекомендации по снижению шума ЗЧУ с учетом влияния детектора при различных соотношениях вкладов параллельного и последовательного шума ЗЧУ, которые позволяют получить максимальное энергетическое разрешение аналогового тракта.

6. С целью улучшения технических характеристик микросхемы ЗЧУ предложена структурная схема внутреннего источника напряжения-фильтра. Разработанная на ее основе принципиальная схема данного источника позволяет снизить влияние пульсаций и наводок на работу ЗЧУ.

Внедрение полученных результатов

Разработанный ЗЧУ включен в состав спектрометра по регистрации ионизирующих излучений НИИ ЯФ МГУ, что позволило улучшить энергетическое разрешение и снизить потребляемую мощность прибора.

С использованием спроектированной интегральной микросхемы ЗЧУ 1432УП1, изготовленной на ГУП НПП "Пульсар" реализован канал электронной обработки сигналов для физических экспериментов, которые проводятся в МИФИ.

Материалы диссертационной работы, в частности: анализ частотных характеристик ЗЧУ, расчет шумовых характеристик ЗЧУ и особенности схемотехники ЗЧУ использовались в лекциях и практических занятиях проводимых в МИФИ по курсам «Аналоговые электронные схемы» и «Основы электроники».

Перспективы развития

Дальнейшим направлением развития ЗЧУ является совершенствование микроэлементной базы для их изготовления. Под этим следует понимать увеличение коэффициента усиления тока биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов (БТ) при режимных токах 50.200мкА, увеличение выходного сопротивления БТ, увеличение граничной частоты усиления тока £г. Для снижения шумов ЗЧУ важно кроме уже названных факторов снижать сопротивление базы БТ, снижать нижнюю частоту среза фликкер-шума БТ, снижать рабочий ток базы БТ при с сохранении частотных свойств транзистора. Для полевых транзисторов (ПТ) на основе р-п перехода с целью дальнейшего совершенствования ЗЧУ необходимо увеличение крутизны при возможно более низких режимных токах, снижение тока затвора, увеличение частоты среза крутизны и снижение нижней частоты среза фликкер-шума. Для МОП транзисторов перспективным является увеличение крутизны и площади усиления, а также снижение нижней частоты среза фликкер-шума. Кроме вышеназванного, перспективным видится объединение на одном кристалле монолитной интегральной микросхемы ПТ, БТ и КМОП транзисторов, а также резисторов широкого диапазона номиналов и отработка технологии изготовления таких кристаллов с целью улучшения частотных и шумовых свойств элементов при низкой их потребляемой мощности. Большой проблемой является также интеграция высокоомных сопротивлений, используемых в цепи обратной связи ЗЧУ, обладающих избыточным шумом менее десятых долей микровольта на вольт приложенного напряжения. Перспективным также является размещение в одной микросхеме вместе со схемой собственно ЗЧУ внутренних источников напряжения-фильтров, выходное напряжение которых регулируется изменением напряжения питания внешнего источника питания. Крайне важным является создание новых типов активных элементов для ЗЧУ, работающих

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дьячков, Игорь Арсеньевич, 2002 год

1. Cottini С., Gatti Е., Gianeli G., Rossi G. A Low Noise preamplifier for fast ionization chambers // Nuovo Cimento, №3, 1956-P.473-476.

2. Radeka V. Low-Noise Preamplifiers for Nuclear detectors // Nucleonics. -1965. -Vol. 23-№ 7. P.52-55.

3. Агаханян T.M. Линейные импульсные усилители. M.: Связь, 1970.-472с.

4. Горн JI.C., Крашенинников И.С., Хазанов Б.И. Электроника в спектрометрии ядерных излучений. М.: Госатомиздат, 1963 -292с.

5. Ковальский Е. Ядерная электроника. М.: Атомиздат, 1972.-360с.

6. Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Атомиздат, 1972. -695с.

7. Фефилов Б.В. Предусилители для полупроводниковых детекторов заряженных частиц // Пятая науч.-техн. конф. по ядерной радиоэлектронике: Тр. конф. 1961- Том 1. -С.39-43.

8. Цитович А.П. Ядерная радиоэлектроника. М.: МИФИ, 1964.-264с.

9. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами / С.А. Балдин, Н.А.Вартанов, Ю.В. Ерыхайлов и др. -М.: Атомиздат, 1974. -320с.

10. Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. М.: Атомиздат, 1977.-187с.

11. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике / Ю.К.Акимов, О.В.Игнатьев, А.И.Калинин, В.Ф.Кушнирук. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -344с.

12. Goyot М. A versitile fast low noise preamplifier in UHF bipolar technology // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. -2000. -Vol. A422. -P. 374-377.

13. FBFA Spectroscopy Charge Amplifier for Detectors with Integrated Front-end FET / G.Bertuccio, L.Fasoli, C.Fiorini et al. // IEEE Transactions on nuclear Science. -1995. -Vol.42. -№4.-P. 1399-1406.

14. Кондратенко C.B., Карулин O.B., Королев B.A. Малошумящие усилители для физического эксперимента. М.:МИФИ, 1983. -104с.

15. Ни Y., Solere J., Lachartre D., Turchetta R. Design and Performance of a Low-Noise, Low-Power Consumption CMOS Charge Amplifier for Capacitive Detectors // IEEE Transactions on nuclear Science.-1998. -Vol.45. -№ 1. -P. 119-123.

16. Короткое A.C., Морозов Д.В. Схемотехника современных интегральных усилителей // Зарубежная электроника. -1998 № 6. -С.41-75.

17. Smith D., Koen М., Witulski A. Evolution of High-Speed Operational amplifier Architectures // IEEE journal of Solid -State Circuits. -1994.-Vol.29. -№ 10. -P. 1166-1179.

18. Dyachkov I.A. Charge-sensitive amplifier for neutron experiments // International Workshop on Data Acquisition Systems for Neutron Experimental Facilities: Proceedings of Workshop-Dubna, JINR, 1997. -P.17-18.

19. Предусилители спектрометрические зарядо-чувствительные для ППД ионизирующих излучений. ГОСТ 18229-81,- М.,1981.

20. Акимов Д.Ю. Экспериментальные методы детектирования корпускулярной материи // -ПТЭ.-2001. -№5.-С. 60-64.

21. Baur R., Ernst P., Gramedna G., Rickter М. Front-end Electronics for a TPC detector // Third Workshop on Electronics for LHC Experiments: Proceedings of the Third Workshop. London, 1997.-P.247-251.

22. Begeot Ch., Hu Y., Berst J. Irradiation study of low power CMOS Preamplifier Shaper for Microstrip Detector Readout in DMILL Process // First Workshop Electronics for LHC experiment: Proceedings of the First Workshop. Lisbon, 1995 - P.210-215.

23. Вопросы методики измерения сигналов детекторов без внутреннего усиления / Р.Н. Краснокутский, Л.Л.Курчанинов, Р.С.Шувалов и др. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. -1991. -Т.22. -Вып. 1.-С.264-320.

24. Каталог фирмы АМПТЕК.-2001.-15с.

25. Дьячков И.А. Аналоговый тракт для съема и обработки сигналов пропорциональных нейтронных счетчиков // Научная сессия МИФИ-2002: Сборник научных трудов. -Т. 1. -М., 2002. -С.155-156.

26. Акимов Ю.К., Дражев М.Н. и др. Быстродействующая электроника для регистрации ядерных частиц. -М.: Атомиздат, 1970. 416с.

27. Modular Pulse-Processing Electronics and Semiconductor Radiation Detectors. Catalog EG&G ORTEC.-1995. 540p.

28. Шмидт X. Измерительная электроника в ядерной физике. -М.: Мир, 1989. -192с.

29. Каталог изделий фирмы CANBERRA. -1999. -520с.

30. Tellegen B.D.H. La Recherche Pour Una Serie Complete D'Elements De Circuit Ideaux Non-Lineares // Rendiconti-Seminario Matemático e Fisicodi Milano-1954.-Vol. 25.-P.134-144.

31. Poyne A., Tonmazou C. Analog Amplifiers Classification and Generalization // IEEE Transaction on Circuits and Systems. -1996-Part 1. -Vol. 43. -№. 1.-P.43-50.

32. Волков Ю.А., Королев B.A. Современные методы анализа электронных схем.-М., 1986.-96С.

33. Аналитическое вычисление шума при кабельном соединении детектора и усилителя. Конфигурация с общим эмиттером / Краснокутский Р.Н., Сушков В.В., Федякин Н.Н. и др. // Препринт ИФВЭ, 92-139. Протвино, 1992. - 10с.

34. Pinotti Е., Longoni A., Gambelli М. Room Temperature High-Resolution X-Ray Spectroscopy with Silicon Drift Chambers// IEEE Transactions on nuclear Science. -Vol.42. № 1.-1995.-P. 12-17.

35. Агаханян T.M., Васильев A.C., Королев B.A. Каскоды и дифференциальные каскады. -М.: МИФИ, 1981.-60с.

36. Bertuccio G., Pullia A. An НЕМТ Input Charge Preamplifier for Nanoseconds Signal Processing Time // IEEE Transactions on nuclear science. -1995. Vol 42 - №2. -P. 66-72.

37. A Four Channel Low-Power CMOS Carge Preamplifier for Silicon Detectors with Medium Value of Capacitance / N. Randazzo, G. Russo, S. Panebianco, et al. // IEEE Transactions on nuclear science. -1997. -Vol 44.-№ 1. -P. 31-35.

38. Плешко А.Д. Основы электроники. Курс лекций. -М.: МИФИ, 1987. -146с.

39. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. -М.: Мир, 1988. -583с.

40. Дворников О., Чеховский В. Применение биполярного. БМК для проектирования аналоговых ИС // Chip News. -1999г. -№5, -С. 17-20.

41. Burr-Brown 1С Applications Handbook. -Tucson: Burr-Brown Corporation, 1994. 426p.

42. Дворников О., Чеховский В. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС // Chip News. -1999г., №6. -С.12-15.

43. Hybrid low-noise charge preamplifiers for heavy-ion detectors / R.Bassini, A.Moroni, S. Brombilla et al. // Nuclear Instruments and Methods. -Vol. A305. -1991. -P.449-452.

44. Стоковая обратная связь в предварительном усилителе спектрометра рентгеновского и мягкого гамма излучения / Г.К. Хомяков, Н.В. Серых, Н.А. Скакун и др. // ПТЭ. -1975. -№2. -С.138-141.

45. Elad Е. Drain feedback a novel feedback technique for low-noise cryogenic preamplifiers // IEEE Transaction on Nuclear Science. -1972. -Vol. NS-19. -№1. -P.403-411.

46. Fazzi A., Jales P., Rehak P., Holl P. Charge-Sensitive Amplifier Front-End with an n-JFET and a Forward-Biased Reset Diode // IEEE Transactions on nuclear Science. -1996.-Vol.43. -№ 6.-P. 3218-3222.

47. Silicon Detector System for High Rate EXAFS Application / A.Pullia, H.W.Kraner, D.P. Siddons et al. // IEEE Transaction on Nuclear Science.-1995. -Vol.42. -№ 4. -P.585-589.

48. Camin D.V., Pessina G. Cryogenic Charge-Sensitive Preamplifiers for High Dynamic Range and Fast Speed of Response Using GaAs Technology // IEEE Transactions on nuclear Science. -1991.-Vol.38.-№ 2. P. 53-57.

49. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990.-264с.

50. Low noise, high speed analog front-end: ASIC LNCP-52 product description / -Lyon: IPNL, France-1999. -P. 1-3.

51. Goyot M. A versitile fast low noise preamplifier in UHF bipolar technology // CMS NOTEGeneva: CERN -1999,-2p.

52. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители. -М.: Радио и связь, 1987. -С. 14.

53. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. -М.: Радио и связь,1983. 320с.

54. Архангельский А.Я. PSpice и Design Center. В 2 ч. -М.: МИФИ, 1996. Часть 1. -236с.

55. Архангельский А.Я., Савинова Т.А. Справочное пособие по PSPICE и Design Center. -М.: МИФИ, 1996.-252с.

56. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). -М.: СК Пресс, 1996. -272с.

57. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. -Омск: Издательство Юридического института МВД России, 1996. -157с.

58. Высокоомный малошумящий резистор для спектрометров с охлаждаемым полупроводниковым детектором / Балдин С.А., Зорин Т.Н., Ряховская Т.И. и др. // Препринт ОИЯИ Р-18-84-404. -1984. 4с.

59. Шевцов Э.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. -М.: Радио и связь, 1992. —222с.

60. Radeka V. Field Effect Transistors for Charge Amplifiers // IEEE Transaction on Nuclear Science-1973. -Vol. 20,-№1. -P.182-189.

61. Guinta S. Capacitance and capacitors // Analog Dialogue. -1996. -Vol. 30. -№6.-P.18-21.

62. Дирнли Дж., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений. -М.: Мир, 1966. -360с.

63. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. -М.: Энергоатомиздат, 1985.—488с.

64. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. -М.: Наука, 1966. -408с.

65. Костыков Ю.В., Крыжановский В.Д. Основы телевидения. -М.: Воениздат. 1961.^-24с.

66. Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. -Киев: Наукова думка, 1982.-672с.

67. Ободовский И.М. Сборник задач по экспериментальным методам ядерной физики. -М: Энергоатомиздат, 1987.-С.265.

68. Дубровский В.В., Иванов Д.М., Четвертаков И.И. и др. Резисторы: Справочник. -М.: Радио и связь, 1991. -528с.

69. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. -М.: Мир, 1986-399с.

70. Ван-дер-Зил А. Шум. Источники, описание, измерение.-М.: Советское радио, 1973.— 228с.

71. Шевцов Э.А. Шумы в электронных приборах. -М.: МИС. 1988—35с.

72. Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники. -М.: Энергия, 1974-256с.

73. Жалуд В., Кулешов В. Шумы в полупроводниковых устройствах. -М.: Сов. радио, 1977.—416с.

74. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. -М.: Энергия, 1977.-672с.-17582. Игнатьев Ю. Шумовые характеристики транзисторных усилителей // Радиоежегодник-89. -М.: ДОСААФ, 1989.-С.129-135.

75. Low power, low noise, integrated preamplier-shaper for large area silicon detectors/ N. Randazzo, G.V. Russo, C. Caligiore, D. LoPresti // Nuclear Instruments and Methods. -1999. -Vol. A 420. -P.279-287.

76. Suboptimal filtering of 1/f noise in detector charge measurements / E.Gatti, P.F.Manfredi et al. // Nuclear Instruments and Methods.-I990.-Vol A297.-P.467-478.

77. Short form designers' guide / Analog Devices Inc., 1999-228c.

78. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. -М.: Высшая школа, 1987. —416с.

79. Rudge A. Noise Simulation Using PSPISE for Semiconductor Detectors and Associated Electronics // Computing for Engineers. -1996. №3.-P.ll-13.

80. Проектирование приемно-усилительных устройств с применением ЭВМ / Л.И.Бурин, Л.Я. Мельников, В.З. Топурила и др. М.: Радио и связь, 1981 - 176с.

81. Нефедов A.B., Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. -М.: КубК-а, 1995.—400с.

82. Масленников В.В. Обобщенные показатели качества широкополосных усилителей // Радиотехника.-1987.-№8.-С. 18-19.

83. Масленников В.В. Обобщенные параметры широкополосных и селективных усилителей. -М.: МИФИ, 1994. -24с.

84. Волгин Л.И. Показатели эффективности и качества схем типовых узлов // XXXI научно-техническая конференция: Тез. докл. -Ульяновск, 1997. -Ч. 1. -С.23-27.

85. Обобщенные параметры зарядо-чувствительных усилителей / И.А.Дьячков, С.В.Кондратенко, В.В.Масленников, В.В.Мещеряков // Проблемы сертификации и управления качеством: Тез. докл. Всерос. конф-Ульяновск, 1998. -Ч. 3. С.36-41.

86. Волгин Л.И. Многоканальные усилительные устройства с широким динамическим диапазоном // Элементы радиоприемных устройств. -Таганрог: ТРТИ, 1978-Вып. 2-С.94-97.

87. Лундин В.З., Виноградов Ю.Н. Избирательные системы с обратной связью.-Таганрог: ТРТИ, 1978,-Вып. IV.-C. 42-49.

88. Евграфова H.H., Каган В.Л. Курс физики. -М.: Высшая школа, 1984. 487с.

89. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / А.А.Бокуняев, Н.М.Борисов, Н.И.Чистяков и др. -М.: Радио и связь, 1990. -624с.

90. Успенский Б.Г. Линейные интегральные микросхемы. -М.: ДОСААФ, 1984.-40с.-17699. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. -М.: Энергоатомиздат, 1983 464с.

91. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. -М.: Наука-1980.-208С.

92. Дьячков И.А. Обобщенные параметры качества аналоговых трактов детекторной электроники // Электроника, микро и наноэлектроника: Сб. науч. тр. -М., 2002 - С.209-212.

93. Charge sensitive preamplifier 1С for silicon calorimetry at colliders / M.A. Baturitsky, V.A.Chekhovsky, N.M. Shumeiko et al. // Nuclear Instruments and Methods. -Vol A352. № 3. -P.604-609.

94. A.Barchirotto, R.Castello, G.Pessina et al. / A versatile High-Speed Bipolar ChargeSensitive Preamplifier for Calorimeter Applications // IEEE journal of Solid-state circuits. -1998. -Vol.33.-№ 4. -P.635-639.

95. Носов Ю.Р., Петросянц K.O., Шилин B.A. Математические модели элементов интегральной электроники. -М.: Сов. радио, 1976. 304с.

96. Проблемы оптимального проектирования и реализации интегральных усилителей / Дьячков И.А., Волков Ю.А., Масленников В.В., Автушко В.П. // 52 науч. сессия РНТОРЭС им. A.C. Попова: Тез. докл. -М., 1997,-Ч. 1. -С. 141-142.

97. Агаханян Т.М., Васильев A.C., Королев В.А. Усилительные каскады и секции с обратной связью. ~М.: МИФИ, 1980—100с.

98. Каганов В.И. Проектирование транзисторных радиопередатчиков с применением ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988. -256с.

99. Агаханян Т.М. Проектирование аналоговых устройств. -М.: 1990.-116с.

100. Агаханян Т.М. Синтез аналоговых устройств. -М.: МИФИ, 1989.-97с.

101. Дьячков И.А., Урусов A.B. Оптимизация электронных схем детекторной электроники // 2-ая открытая науч. конф. молодых ученых и специалистов ОИЯИ: Сб. тр.-Дубна, 1998. -С.176-177.

102. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. -М.: Сов. радио, 1975.-216с.

103. Урезченко В.М. Введение в оптимальное моделирование. -М.: МИФИ, 1991. -40с.

104. Корнев Ю.П., Летова Т.А. Методы и алгоритмы в практике инженера-математика. -М.: МАИ, 1991. С.45-50.

105. Мжельский Б.И., Мжельская Е.Б. Основы теории оптимизации. -М.: МЭИ, 2001 -80с.

106. Домрачев В.Г., Мальцев П.П., Новаченко И.В. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС. -М.: Энергоатомиздат, 1992.-С.7.,66.

107. Bertuccio G., Geronimo G. De. A fully integrated low noise HEMT charge preamplifier // Nuclear Instruments and Methods. -1995,-Vol. A365. P. 592-595.

108. Балдин C.A., Байрамашвили И.А., Губин С.Ф. О шуме резистора нагрузки в предусилителях для полупроводниковых детекторов // ПТЭ 1975. -№2. - С. 135-138.

109. Сазонов А.А., Лукичев А.Ю., Николаев В.Т. Микроэлектронные устройства автоматики.-М.: Энергоатомиздат, 1991. 384с.

110. Анич Н.И., Гренчаник JI.A. К проблеме получения полупроводниковой пленки в свинцово-висмутовых стеклах при обработке их в водороде // ЖПХ. -1958. -Т. 31. -С.566-571.

111. Улько Ю.Н. О влиянии термообработки на коэффициент вторичной электронной эмиссии динодов из восстановленных свинцовосодержащих стекол // Электронная техника. -1968. -Сер.4. -Вып. 4. -С.128-130.

112. Агаханян Т.М. Синтез аналоговых устройств. -М.: МИФИ, 1989.-97с.

113. Петухов В.М. Зарубежные транзисторы и их аналоги. Справочник. В Зт. М.: Радиософт, 1974.-Т.4.-928с.

114. Wintenberg A.L., Britton C.L. WA 80 BGO Calorimetry electronics // IEEE Transactions on nuclear Science. -1992. -Vol.39. -№ 5. C. 1286-1291.

115. Samin D.V., Fedyakin N., Pessina G. Monolitithic Cryogenic Preamplifiers Based on large gate-area GaAs MESFETs // IEEE Transaction on nuclear science. -1995. -Vol.42. -№ 4. -P.758-761.

116. Дьячков И.А. Гибридный зарядо-чувствительный усилитель УИ2546 // Электроника, микро- и наноэлектроника: Сб. науч. тр. -М., 1999.-С.43-44.