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Ein Schneller dc-Verstärker mit stabilisierung des ruhepotentials
NUCLEAR
INSTRUMENTS
AND METHODS
72
(I969) 314-316; ©
NORTH-HOLLAND
PUBLISHING
CO.
EIN SCHNELLER dc-VERST~.RKER MIT STABILISIERUNG DES RUHEPOTENTIALS K. WILLE
11. Physikalisches Institut der Universitiit Gi#tingen Eingegangep am 28. Februar 1969 A fast linear dc-amplifier with a gain of 27 and a rise time of about 5 ns for an input and load impedance of 50 .C) has been designed. The maximum output pulse amplitude is 5 V. A small temperature dependence of gain and output baseline is obtained by way of a stabilisation circuit described in this paper. 1. Einleitung Ffir Anwendungen in der Kern- und Festk6rperphysik wird oft ein schneller Verstfirker gebraucht, der hohe lmpulsraten ohne nennenswerte Ver~inderung seiner VerstS.rkung verarbeitet und der sehr lange Impulse unverffilscht iibertrfigt, ein Problem, das z.B. bei der Messung der Lichtausbeute yon Szintillationskristallen auftritt. Beide Forderungen lassen sich nur mit einem dc-Verstfirker ohne kapazitiv tiberbrtickte Stromgegenkoppelungen erfiillen. Die damit bedingte hohe Temperaturdrift wurde durch eine spezielle Stabilisierung auf sehr kleine Werte reduziert. Das Prinzip der Stabilisierung und der Aufbau des entwickelten Verst~rkers wird in dieser Arbeit beschrieben. 2. Grundlegende l~berlegungen Am einfachsten lfigt sich ein Verstfirker mit guter Stabilit~t aufbauen, wenn man die einzelnen Stufen kapazitiv miteinander koppelt und auBerdem jede einzelne Stufe mit einer starken Stromgegenkoppelung in der Emitterleitung versieht, die im lnteresse einer brauchbaren Wechselspannungsverst~rkung im allgemeinen kapazitiv tiberbrfickt wird. Wieweit dieses Verfahren bei der Verst~irkung unipolarer Impulse, wie sie yon Szintillations- und Halbleiterz~ihlern geliefert werden, anwendbar ist, soil zun/ichst diskutiert werden. Als Beispiel fiir unipolare Impulse seien Rechteckimpulse mit gleichmfigigem Abstand T sec, der LO.nger sec und der Amplitude Uo betrachtet. Die Fourierdarstellung solcher Impulse ist:
U(t)
=
ringer Folgefrequenz, kann dieser Effekt vernachlfissigt werden. Bei sehr hohen Z~hlraten und entsprechend langen lmpulsen wird dagegen die Verschiebung vergleichbar mit der Amplitude. Ein eventueller nachfolgender Diskriminator mil3t zu kleine Impulsh6hen. Eine Methode, diese Verschiebung zu verhindern, gibt Schuster ~) an; sie setzt jedoch voraus, dab die Ausgangsimpedanz einer VerstS.rkerstufe klein ist gegen die Eingangsimpedanz der n~ichstfolgenden. Diese Bedingung kann bei den im Eingang relativ niederohmigen Basisverst/irkern oft nur schwer erftillt werden. Die Llbertragungsfunktion einer Verst~irkerstufe mit kapazitiv fiberbriickter Stromgegenkoppelung (Fig. I) ist: U2/U,
= R21'[{(1/R1)+jo)C}-'
S ist dabei die Steilheit des Transistors. Die hochfrequenten Sinusspannungen werden gut verst/irkt, der Gleichspannungsanteil dagegen im allgemeinen abgeschwficht. Das bewirkt ebenfalls eine Verschiebung des Ruhepotentials. Treten also in einem Experiment lange Impulse mit hoher Folgefrequenz auf (d.h. z/T,~ 1), so mug man gleichspannungsgekoppelte Verst~irker verwenden, die nur solche Gegenkoppelungen enthalten, die im gesamten Frequenzbereich gleichermagen wirksam sind. Da Gegenkoppelungen abet im lnteresse einer akzeptablen VerstS.rkung nicht beliebig grol3 sein k6nnen, haben solche Verstfirker eine im allgemeinen uner-
Uo(~/T)+(2U/n) ~" sin(nnT/r)cos(mot).
/12
n=l
Unipolare Rechteckimpulse enthalten neben den zeitabh~ngigen sinusf6rmigen Anteilen eine Gleichspannungskomponente der Gr6ge Uo(r/T ). Bei kapazitiver Koppelung der einzelnen Verst~irkerstufen geht der Gleichspannungsanteil verloren. Das Ruhepotential am Ausgang verschiebt sich damit um AU = Uo(~/T). Solange z / T ~ 1, d.h. kurze Impulse ge-
+(I/S)].
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Fig. 1. Verst/irkerstufe mit kapazitiv iiberbriickter Stromgegenkoppelung. 314
EIN
SCHNELLER
dC-VERST.KRKE
Regelspannung auftritt. Das Prinzip zeigt Fig. 2. Setzt man voraus, dab die Ruhepotentiale am Eingang und Ausgang exakt mit dem Nullpotentiat iibereinstimmen, so tritt am Punkte P genau dann keine Spannung auf, wenn R 2 = vR~, gleichgfiltig wie hoch die Eingangsund damit die entsprechende Ausgangsspannungs ist. Dabei ist v = Uz/U~ die Gesamtverstf.rkung des dcVerstfirkers. Das gilt allerdings nur ffir invertierende VerstS, rker. Verschiebt sich z.B. dutch Temperatur5.nderung das Ruhepotential um A U, so dab damit am Ausgang bei konstanter Eingangsspannung U~ < 0 ein Potential yon vUl +A U gemessen wird, so tritt an P die SpannungA U/v+ 1 auf. Aus ihr wird nach Verstfirkung die Regelspannung gewonnen, die der Verschiebung des Ruhepotentials entgegenwirkt. Wichtig ist dabei noch, dab die Regelspannung nicht auf den Eingang des dc-Verst/irkers rfickwirkt. Bei dieser Regelung ist es v611ig gleichgfiltig, ob schnelle Impulse beliebiger Form oder Gleichspannung auf den Verstfirker gegeben werden.
dc- Verstarker
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315
R
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P
Fig. 2. Prinzip der Stabilisierung des Ruhepotentials. wiinscht hohe Temperaturdrift, die nur durch eine Stabilisierung verringert werden kann.
3. Prinzip der Stabilisierung Die bei der Stabilisierung verwendete Regelschaltung soil nur dann wirksam werden, wenn sich dutch Anderung der Temperatur oder der Betriebsspannung das Ruhepotential am Ausgang des Verst/irkers verfindert, nicht jedoch, wenn ein bestimmtes Eingangssignal konstante Arbeitspunkte vorausgesetzt - eine entsprechend verst/irkte Ausgangsspannung erzeugt. Diese Bedingung lfil3t sich erffillen, wenn man fiber eine Art Briickenschaltung Eingangs- und Ausgangsspannung miteinander vergleicht, wobei der Abgleich so gewS,hlt wird, dab bei optimaler Lage des Ruhepotentials keine
4. Beschreibung der Verstiirkerschaltung Nach den diskutierten Gesichtspunkten wurde ein schneller dc-Verstfirker mit der beschriebenen Stabilisierung des Ruhepotentials entwickelt. Das Schaltbild zeigt Fig. 3. Dabei wurde im wesentlichen eine Schal-
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2N3820 709
Fig. 3. Schaltbild des schnellen dc-Verst~irkers mit Stabilisierung des Ruhepotentials.
-24V
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K. WILLE
tung von Goyot et al. 2) iibernommen, wobei allerdings die kapazitiv fiberbrfickten Stromgegenkoppelungen vermieden wurden. Der Eingangsverstfirker besteht aus einem fiber einen zweiten Transistor stark gegengekoppelten FET. Die Regelspannung wirkt auf die Basis des ersten Transistors der zweiten Stufe. Durch diese MaBnahme wird gew~ihrleistet, daB die Regelung nicht auf den Eingang des Verstfirkers rfickwirkt. Als Regelverst~irker dient ein integrierter Schaltkreis. Da die auftretenden Regelspannungen durch Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen erzeugt werden, findern sie sich nur langsam mit der Zeit. Der Regelverst~irker kann also durch eine starke kapazitive Gegenkoppelung zwischen Eingang und Ausgang in seiner oberen Grenzfrequenz beschrfinkt werden. Dadurch wird das Rauschen erheblich reduziert.
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Fig. 4. Linearit/it des beschriebenen Verst~rkers. Die Messungen wurden ausgeftihrt mit schnellen Impulsen (o) und mit Gleichspannung (.). Der Verst/irkerausgang war dabei mit 50Q abgeschlossen.
5. Daten des Verst~irkers
Die Daten des beschriebenen Verst~irkers sind aus 30 28 "- 26
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10s
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Fig. 5. Abh/ingigkeit der Verstfirkung von der Impulsrate. Verwendet wurden Rechteckimpulse mit einer L/inge z = 1.5 ~ts. Die H6he der Impulse betrug am Verstfirkerausgang ca. 5 V an 50 .(2. der folgenden Aufstellung und den Fig. 4 und 5 zu entnehmen. Daten : Eingangsimpedanz: 50 £2 (negative Polarit/it), Ausgangsanpassung: 50 £2 (positive Polarit~it), Max. Ausgangsspannung: 5 V an 50 f2, Verstfirkung: 27 fach, Anstiegszeit" 5 ns} bei 5 V Ausgangsimpulsh~She, Abfallzeit: 8 ns Linearitat: < 2 % bezogen auf 5 V Ausgangsimpulse, < 1% bei Gleichspannung,
Stabilit~_t der 1 Verstfirkung: < 2 × 1 0 - 3 / ° C im Bereich von 15-50 ° C. Stabilit~it des Ruhepotentials: <0.6 m V / ° C ] Literatur
l) H. J. Schuster, Nucl. Instr. and Meth. 59 (1968) 347. 2) M. Goyot et al., Nucl. Instr. and Meth. 46 (1967) 149. 3) H. Meinke und. F. W. Grundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik
(Springer, Berlin, 1962).
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(I969) 314-316; ©
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EIN SCHNELLER dc-VERST~.RKER MIT STABILISIERUNG DES RUHEPOTENTIALS K. WILLE
11. Physikalisches Institut der Universitiit Gi#tingen Eingegangep am 28. Februar 1969 A fast linear dc-amplifier with a gain of 27 and a rise time of about 5 ns for an input and load impedance of 50 .C) has been designed. The maximum output pulse amplitude is 5 V. A small temperature dependence of gain and output baseline is obtained by way of a stabilisation circuit described in this paper. 1. Einleitung Ffir Anwendungen in der Kern- und Festk6rperphysik wird oft ein schneller Verstfirker gebraucht, der hohe lmpulsraten ohne nennenswerte Ver~inderung seiner VerstS.rkung verarbeitet und der sehr lange Impulse unverffilscht iibertrfigt, ein Problem, das z.B. bei der Messung der Lichtausbeute yon Szintillationskristallen auftritt. Beide Forderungen lassen sich nur mit einem dc-Verstfirker ohne kapazitiv tiberbrtickte Stromgegenkoppelungen erfiillen. Die damit bedingte hohe Temperaturdrift wurde durch eine spezielle Stabilisierung auf sehr kleine Werte reduziert. Das Prinzip der Stabilisierung und der Aufbau des entwickelten Verst~rkers wird in dieser Arbeit beschrieben. 2. Grundlegende l~berlegungen Am einfachsten lfigt sich ein Verstfirker mit guter Stabilit~t aufbauen, wenn man die einzelnen Stufen kapazitiv miteinander koppelt und auBerdem jede einzelne Stufe mit einer starken Stromgegenkoppelung in der Emitterleitung versieht, die im lnteresse einer brauchbaren Wechselspannungsverst~rkung im allgemeinen kapazitiv tiberbrfickt wird. Wieweit dieses Verfahren bei der Verst~irkung unipolarer Impulse, wie sie yon Szintillations- und Halbleiterz~ihlern geliefert werden, anwendbar ist, soil zun/ichst diskutiert werden. Als Beispiel fiir unipolare Impulse seien Rechteckimpulse mit gleichmfigigem Abstand T sec, der LO.nger sec und der Amplitude Uo betrachtet. Die Fourierdarstellung solcher Impulse ist:
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Fig. 5. Abh/ingigkeit der Verstfirkung von der Impulsrate. Verwendet wurden Rechteckimpulse mit einer L/inge z = 1.5 ~ts. Die H6he der Impulse betrug am Verstfirkerausgang ca. 5 V an 50 .(2. der folgenden Aufstellung und den Fig. 4 und 5 zu entnehmen. Daten : Eingangsimpedanz: 50 £2 (negative Polarit/it), Ausgangsanpassung: 50 £2 (positive Polarit~it), Max. Ausgangsspannung: 5 V an 50 f2, Verstfirkung: 27 fach, Anstiegszeit" 5 ns} bei 5 V Ausgangsimpulsh~She, Abfallzeit: 8 ns Linearitat: < 2 % bezogen auf 5 V Ausgangsimpulse, < 1% bei Gleichspannung,
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l) H. J. Schuster, Nucl. Instr. and Meth. 59 (1968) 347. 2) M. Goyot et al., Nucl. Instr. and Meth. 46 (1967) 149. 3) H. Meinke und. F. W. Grundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik
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