О. Дворников, В. Чеховский

    Основным назначением аппаратуры ядерной электроники является регистрация сигнала детекторов частиц, который представляет собой токовый импульс. Амплитуда и длительность полезного сигнала, наряду с емкостным характером детектора, требуют проведения специальной обработки, которая заключается в преобразовании токового импульса в напряжение, достаточное для работы последующих блоков, оптимальную фильтрацию для увеличения отношения "сигнал/шум" и, в ряде случаев, регистрацию момента превышения сигналом заданного порога.

Рис. 1. Блок-схема полного канала обработки сигнала детектора

    Специфические требования к обработке сигнала детектора вызывают необходимость применения схемотехнических решений, которые не могут быть реализованы на ИС общего назначения и требуют проектирования специализированных микросхем. Для ускорения полного цикла проектирования и производства ИС ядерной электроники в Национальном научно-учебном центре физики частиц и высоких энергий (НЦ ФЧВЭ, г. Минск) разработан специализированный БМК [1], возможности которого для получения микромощных малошумящих усилителей показаны в [2]. В настоящей статье рассматривается реализация на БМК быстродействующего зарядочувствительного усилителя-формирователя. Проектирование компараторов будет рассмотрено отдельно.
    Функционально завершенный канал обработки сигнала детектора включает (рис. 1):

• Зарядочувствительный предусилитель (ЗЧПУ), предназначенный для преобразования токового импульса детектора в напряжение;
• Усилитель-формирователь (УФ) осуществляет дополнительное усиление по напряжению сигнала предусилителя и его фильтрацию для улучшения соотношения "сигнал/шум";
• Блок восстановления нулевого уровня (БВНУ) в первую очередь, предназначен для уменьшения времени возврата напряжения к нулевому уровню (время установления) импульса усилителя-формирователя. Применение БВНУ позволяет также уменьшить разброс постоянного напряжения на входе дискриминатора и, в ряде случаев, увеличивает соотношение "сигнал/шум" за счет дополнительной фильтрации сигнала;
• Дискриминатор вырабатывает стандартный логиче-ский сигнал в случае превышения входным напряжением установленного порога;
• Блок смещения предназначен для задания и стабилизации режимов работы каскадов по постоянному току.

Рис. 2. Зарядочувствительный предусилитель

    Предусилитель (рис. 2) представляет собой однокаскадный инвертирующий усилитель напряжения, охваченный частотно-зависимой отрицательной обратной связью (ООС) на элементах Rf, Cf. Однокаскадная схема позволяет получить высокую частоту единичного усиления и обеспечивает устойчивую работу предусилителя с емкостным источником сигнала (отсутствие значительных выбросов на переходной характеристике). Сигнал детектора подается на входной узел \Input\. Каскодное включение биполярных малошумящих транзисторов q1 (общий эмиттер) и q2 (общая база) позволяет значительно уменьшить входную миллеровскую емкость и, совместно с активной нагрузкой PNPJF-1, обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой ООС. Схема задания коллекторного тока головного транзистора q1 (резисторы R1 и R2, подключенные к источнику опорного напряжения Vcc1, и источник тока PNPJF-1) позволяет уменьшить рассеиваемую мощность при одновременном увеличении усиления, так как высокая крутизна головного каскада определяется большим коллекторным током q1 (~0,6 мА), а высокое входное сопротивление активной нагрузки относительно малым током стока PNPJF-1 (~100 мкА). Сдвиг постоянного напряжения в выходном эмиттерном повторителе GC-1 осуществляется за счет включения стабилитрона GC-2, реализованного на обратносмещенном эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Все резисторы выбраны из ряда, доступного для проектирования на БМК. Здесь и далее на схемах пунктирной линией обозначены элементы БМК, конструкция и PSpice, параметры которых подробно описаны в [1]:

• PAD2Q многоэммиттерный малошумящий n-p-n транзистор;
• PADJ малошумящий p-JFET транзистор;
• PADC МОП конденсатор с номиналом 2,12 пФ;
• PNPJF функционально-интегрированный элемент, представляющий собой каскодное включение p-n-p транзистора и p-JFET;
• GC два n-p-n транзистора с объединенными коллекторами (ячейка Джильберта);
• TW четырехслойная полупроводниковая структура, позволяющая за счет различных вариантов соединения полупроводниковых областей получить двухэмиттерный n-p-n или p-n-p транзистор.

    Представленную схему предусилителя желательно использовать для работы с детекторами относительно большой емкости (до 100 пФ) и временем формирования (RCCR) шумоподавляющего фильтра до 30 нс. Как можно оптимизировать схему предусилителя под кон-кретные нужды? Например, если проектируется пред-усилитель для детекторов малой емкости (менее 10 пФ), то можно уменьшить как площадь эмиттера головного транзистора q1 (выбрать, например, модель PAD2Q1), так и его коллекторный ток (увеличить номинал сопротивлений R1 и R2). При работе с детекторами малой емкости, как правило, не требуется большой коэффициент усиления ЗЧПУ с разомкнутой ООС, следовательно, использовать активную нагрузку головного каскада (источник тока PNPJF-1) не обязательно, ее можно заменить цепочкой резисторов из имеющегося набора. Если на выходе схемы требуется получить импульс напряжения с временем "пика" более 100 нс, то для уменьшения вклада параллельной составляющей шумов имеется возможность увеличить номинал резистора ООС Rf до 100120 кОм.

Рис. 3. Усилитель-формирователь

    Сигнал с выхода ЗЧПУ \Outpre\ (рис. 2) поступает на вход УФ \Input\ (рис. 3). УФ построен по схеме дифференциального каскада GC-5, GC-7, нагрузкой которого является каскад с перекрестными коллекторными связями GC-4, GC-6 и резисторы R8, R9. Входной дифференциальный каскад УФ позволяет перейти от синфазного сигнала на выходе предусилителя к дифференциальному, для чего на второй вход (\Ref1\ на рис. 3) подается опорный уровень. Для уменьшения разбаланса и подавления синфазных наводок в качестве опорного уровня предлагается использовать выходной сигнал дополнительного предусилителя, полностью аналогичного основному (рис. 2), причем на вход опорного предусилителя полезный сигнал не подается. Как показывает опыт проектирования многоканальных ИС, в большинстве случаев можно использовать один такой предусилитель на группу каналов или на группу однотипных ИС. Все последующие каскады УФ обрабатывают дифференциальный сигнал, что позволяет обеспечить работоспособность ИС в широком диапазоне питающих напряжений при значительном технологическом разбросе параметров активных и пассивных элементов. Преимуществом использования каскада с перекрестными связями GC-4, GC-6 является возможность плавной регулировки коэффициента усиления (включая инверсию знака) [4] при изменении управляющего напряжения (разность потенциалов между узлами \Ref2\ и \Ref3\ на рис. 3). Выходной эмиттерный повторитель GC-8 с помощью стабилитронов GC-9 и генераторов тока GC-10, GC-11 осуществляет сдвиг постоянного уровня. Предложенная схема УФ позволит использовать разрабатываемую многоканальную ИС для работы с детекторами, имеющими как положительную, так и отрицательную полярность сигнала. Регулировку коэффициента усиления тракта можно осуществить с помощью внешнего ЦАП без использования дополнительных элементов.

Рис. 4. Блок восстановления нулевого уровня

    Выходной дифференциальный сигнал УФ поступает на входы БВНУ \IN1\ и \IN2\ (рис. 4). Входные емкости и нелинейное сопротивление прямосмещенных эмиттерных переходов GC12-GC14 образуют дифференцирующую цепь, на которой и происходит уменьшение длительности сигнала. С помощью системы токовых зеркал PNPJF-2,-3,-4 и TW-1,-2 ток покоя диодов устанавливается таким образом, чтобы потенциалы на выходах БВНУ (узлы \BLR_N\ и \BLR_P\) были равны. Применение БВНУ оправдано в случаях повышенной загрузки детектора, т. е. когда длительность импульса напряжения на выходе УФ соизмерима со средним периодом поступления входных сигналов. Если выходной сигнал кремниевых детекторов в первом приближении можно представить токовым дельта-импульсом, так как его длительность, как правило, не превышает 10 нс, то выходной сигнал газовых детекторов имеет характерную "медленную" составляющую, длительность которой определяется временем дрейфа ионов и может превышать 50 мкс для некоторых типов катодных стриповых камер. В этих случаях использование БВНУ поможет значительно повысить допустимую частоту поступления входных сигналов. Определенным недостатком БВНУ является нелинейность передаточной характеристики, т. е. зависимость коэффициента преобразования от величины входного сигнала (рис. 68), поэтому его проектирование требует поиска компромисса в выборе параметров предусилителя и усилителя-формирователя.

Рис. 5. Блок смещения

    На рис. 5 представлен один из простейших вариантов выполнения блока смещения, задающего режим по постоянному току ЗЧПУ, УФ, БВНУ и компаратора (рис. 1). Для задания и подстройки режимов к выводу \Bias1\ необходимо подключить внешний источник тока (~100 мкА).
    На рис. 6 приведены результаты моделирования вы-ходного сигнала предусилителя (узел \Outpre\). Собст-венная емкость детектора (CD) имитировалась конденсатором 10 пФ, подключенным к узлу \Input\. Входной сигнал задавался ступенькой напряжения VINP = 50, 100, 200 мВ, подаваемой на вход предусилителя через конденсатор с номиналом 1 пФ. При этом считается, что входной сигнал имеет форму токового дельта-импульса с зарядом QINP = 50, 100, 200 фКл. Выходные сигналы усилителя-формирователя (узел \Output1\) и блока восстановления нулевого уровня (узел \BLR_P\) показаны, соответственно, на рис. 7 и 8 при тех же входных сигналах.

Рис. 6. Выходной сигнал предусилителя при C_D = 10 пФ и Q_INP = 50, 100, 200 фКл

    Основные характеристики ЗЧПУ, УФ и БВНУ указаны в таблице. Шумы УФ и БВНУ нормированы в единицах эквивалентного шумового заряда (ENC) и пересчитаны ко входу предусилителя. Для определения ENC использовалась методика, описанная в [4].

Рис. 7. Выходной сигнал усилителя-формирователя при C_D = 10 пФ и Q_INP = 50, 100, 200 фКл

    Для PSpice-моделирования канала обработки сигнала детектора, содержащего ЗЧПУ, УФ и БВНУ, использованы параметры моделей, приведенные в [1].

Рис. 8. Выходной сигнал блока восстановления нулевого уровня при C_D = 10 пФ и Q_INP = 50, 100, 200 фКл

Таблица. Основные параметры блоков быстродействующего усилителя-формирователя

• Дворников О., Чеховский В. Аналоговый биполярный БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News. 1999. #2. C. 22-24.
• Дворников О., Чеховский В. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Часть 1. Микромощные малошумящие зарядочувствительные усилители // Chip News. 1999. #5. С. 17-20.
• Gilbert B. A New Wide-band Amplifier Technique // IEEE Transactions on Solid State Circuits. 1968, vol. SC-3, #4, pp. 353-365.
• Алексеев В.Ф., Дворников О.В., Чеховский В.А., Солин А.В. Определение эквивалентного шумового заряда с использованием Рspice. БГУИР. Мн.: Деп. в БелИСА. 26.02.98. N Д199816. 1998. 9 с.

Национальный научно-учебный центр
физики частиц и высоких энергий при БГУ, Минск
Тел. (017) 231-4679
E-mail: tchek@hep.by, dvr@mserv.bas-net.by
http:\\lem.hep.by