CS198648B1 - Zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření v zařízeních pro indikaci a měření radiační energie v různýoh průmyslových oborech, jakož i v oblasti zdravotnictví.

Zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření jsou dosud řešena tak, že detektor bývá napojen na vstupní část tranzistorového zesilovače zapojeného se společnou bází nebo se společným emitorem.

Zapojení se společnou bází jsou obvykle řešena kapacitní nebo induktivní vazbou mezi detektorem a emitorem. Jsou známa i taková zapojení, kde detektor vytváří emitorovou zátěž vstupního tranzistoru.

Uvedená zapojení se společnou bází řeší do značné míry přizpůsobení impedance vstupního tranzistoru zesilovače signálu detektoru záření impedanoi detektoru záření, pokud tato je nízkoohmová. Nevýhodou tohoto druhu zapojení je však ztráta asi 50 % signálu způsobená právě tímto přizpůsobením.

Zapojení se společným emitorem se vyznačuje praktioky maximálním ziskem signálu, přičemž však nelze dosáhnout optimálníoh šumových parametrů.

U* obou známýoh typů zapojení není respektována korekee citlivosti detektorů v důsledku teplotní závislosti odporových detektorů.

198 648

198 848

Zapojení ae společným emitorem nemívají dostatečnou, imunitu proti nežádoucímu uplatnění vnějších elektromagnetických polí. Účelem vynálezu je odstranění nedostatků plynoucích z dosud znáuýoh sapojení signálu detektoru záření, která se projevují bu3 ztrátou signálu při optimálním impedančním přizpůsobení, nebo zvýšením šumové úroveně při maximálním využití oltlivosti detektoru, změnou citlivosti detektoru při zmčně pracovní teploty detektoru, a možností uplatnění vnějších ruěivýoh elektromagnetických polí.

Výše uvedená nedoetatky odstraňuje podle tohoto vynálezu zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření, sestávajíoí ee dvou částí a zpětnovazebního členu, kde prvá část je vytvořena jedním nebo více paralelně zapojenými tranzistory, s Jejiohž emitory je propojen jeden vývod odporového detektoru a kolektory těchto tranzistorů jeou propojeny se vstupem druhá části zesilovače, tvořená zesilovací větví, obsahující nejméně jeden aktivní prvek. Podstata vynálezu spočívá v tom, že druhá část zesilovače, jejíž hodnota proudového přenosu js pro pracovní oblast kmitočtů kladná, má výstupní svorku propojenou se vstupní svorkou zpětnovazebního členu, přičemž výstupní svorka zpětnovazebního členu je propojena se společným bodem emitoru tranzistoru z prvá části zesilovače a odporového detektoru. Mezi vstupní svorku a výstupní svorkou zpětnovazebního členu je připojen odporový řetězeo tvořený nejméně jedním odporem. Do společného bodu odporového řetězce složeného ze dvou odporů, je připojen jeden vývod sériová kombinace zpětnovazebního odporu a blokovacího kondenzátoru, přičemž druhý vývod táto kombinace je připojen ke druhému vývodu odporového detektoru. Výstup sériové kombinaoe zpětnovazebního odporu a blokovaoího kondenzátoru je propojen jedním, nebo několika odpory s bází, respektive bázemi paralelně propojenýoh tranzistorů prvé části zesilovače.

Výhodou zapojení zesilovače odporového detektoru záření je dosažení jednak optimálního poměru signálového napětí vzhledem k Sumovým napětím, kompenzace teplotní závislosti odporového detektoru záření a zmenšení oltlivosti odporového detektoru k rušivým vnějším elektromagnetickým polím.

Zapojení Zesilovače signálu odporového detektoru záření bude následovně blíže popsáno v příkladovém provedení s pomooí výkresů, kde znázorňuje obr, 1 blokové uspořádání předmětného zapojení, obr. 2 příklad konkrétního uspořádání předmětného zapojení, a obr. 3 průběhy proudovýoh přenosů v závislosti na frekvenoi.

Podle obr. 1 je odporový detektor záření prvým vývodem 21, připojen k emitoru tranzistoru J, patříoímu do prvé části zesilovače. Druhý vývod 22 odporového detektoru záření 2 je propojen s jedním pólem zdroje £ napájecího napětí. Druhý pól adroje £ napijeoího napětí Je propojen jednak přes vstupní odporový dělič, složený z prvého odporu 51 vstupního děliče a druhého odporu 52 vstupního děliče, přes bázový odpor JI z bází tranzistoru J a dále Je propojen přea satěžovaoí impedanoi 32 z kolektorem tranzietoru 2· Druhý vývod zdroje i je také jeětě propojen e napájecí svorkou 4¾ druhé části zesilovače 4. Kolektor transistoru 2 je apojen ee vstupem druhé části zesilovače 4. Yřstuo 40 druhé čáetl zesilovače je propoe jen jednak z výstupná svorkou 49 zesilovače signálu detektoru záření a jednak ee vstupem

198 848 zpětnovazebního členu χ. Výstup 12 zpětnovazebního členu χ je propojen ee společným bodem emitoru tranzistoru £ a prvého vývodu 21 odporového detektoru záření £. Další výstup 120 zpětnovazebního členu χ je propojen do společného hodu bázového odporu 31. prvého odporu 51 vstupního děliče a druhého odporu ££ vstupního děliče. Přijímaný signál záření způsobuje změnu vodivosti detektoru záření £. Tím se mění vodivost mezi emitorem tranzistoru £. a napájecím zdrojem £. Protože tranzistor £ je zapojen s uzemněnou bází, mění se proud emitoru tohoto tranzistoru a tím i proud 141 kolektoru tranzistoru £. Tato změna proudu 141 představuje vstupní signál aruhá části zesilovače 4, Zesilovač 4 má v decibelech definovaný proudový(přenos A podle vztahu

A « 20 · log (1), ¹⁴¹ kde 142 představuje změnu proudu ve výstupní svorce 40 druhé části zesilovače 4, vyvolanou změnou vstupního proudu 141. Proud 142 vstupuje do zpětnovazebního členu χ. Výstup 12 zpětnovazebního členu χ uzavírá zpětnovazební smyčku, tvořenou těmito obvody: emitor - kolektor tranzistoru £, druhá část zesilovače 4· zpětnovazební obvod χ. Zpětná vazba je určena proudovým přenosem B zpětnovazebního členu χ. Obdobně definovaný přenos v decibelech zpětnovazebního obvodu χ, jako u druhé části zesilovače 4, je dán následujícím vztahem

B 20 . log (2)

Ul kde 112 představuje změnu proudu ve výstupní svorce 12 zpětnovazebního členu X, vyvolanou změnou vstupního proudu ill've vstupní svoroe 11 zpětnovazebního členu χ.

Je-li splněna podmínka, že absolutní hodnota proudového přenosu B je menší, než je hodnota proudového přenosu A druhé části zesilovače 4, rozhoduje zpětná vazba o chování zesilovače signálu detektoru, jako oelku. Tato zpětná vazba, pokud je volena jako záporná, snižuje vstupní impedanci zesilovače a určuje výsledný zisk zesilovače.

Výstup 120 zpětnovazebního členu X je určen pro řízení teplotní kompenzace citlivosti ietektoru záření, V tomto výstupu je obsažena informace o pracovním proudu odporového ietektoru záření £. Z velikosti pracovního proudu detektoru záření £ je odvozeno ovládání stejnosměrného předpětí báze tranzistoru £. Velikost tohoto předpětí zpětně rozhoduje ) pracovním proudu detektoru záření £.

Na obr. 2 je znázorněno zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření £. brvou část zesilovače vytváří tranzistor £ v zapojení se společnou bází, druhá část sesilovače js tvořena prvním aktivním prvkem 41. tj. tranzistorem v zapojení se společnou táží a druhým aktivním prvkem 42, tj. tranzistorem opačného typu vodivosti, v zapojení se ipolečným emitorem. Zpětnovazební člen je tvořen prvým zpětnovazebním odporem ££, který je pojen a druhým zpětnovazebním odporem 14 a s třetím zpětnovazebním odporem 15. na který e připojen blokovací kondensátor 16. Výstup 120 zpětnovazebního členu pro řízení teplotní ompenzaoe citlivosti detektoru je určen společným bodem třetího zpětnovazebního odporu 15 blokovacího kondenzátoru 16. Mezi vstupem signálu o teplotní kompenzaci do báze tranzistou £ a výstupem 120 zpětnovazebního členu, jsou připojeny do série prvý odpor 17 pro teplotní

198 941 kompenzaci a druhý odpor 18 pro teplotní kompenzaci. Mezi společný bod kompenzačních odporů 17 a 18 a druhý vývod 22 odporového detektoru záření 2, je připojen třetí odpor 19 pro teplotní kompenzaci. V bázi tranzistoru g je připojena filtrační kombinace přes bázový odpor 31. která je složena z prvého odporu 51 vstupního děliče, z druhého odporu 52 vstupního děliče a vstupního filtračního kondenzátorů 53. Pracovní bod vstupního tranzistoru £ je určen zatěžo· vací impedancí 32. Praoovní bod tranzistoru 41 je zajištěn bázovým odporem 411 a děličem 412. 413. napojených na zdroj g napájecího napětí.

Ve srovnání s funkcí zapojení podle obr. 1 je proudový přenos B zpětnovazebního členu g určen pro dostatečně vysoké kmitočty f poměrem

B, - 20 . log ' (3), *· R14 kde R15 je ohmická hodnota třetího zpětnovazebního odporu 15 a R14 je ohmická hodnota druhého zpětnovazebního odporu 14 odporového řetězce.

Proudový přenos druhé části zesilovače je určen podle obr. 2 proudovým zesilovacím činitelem h,21T42 tranzistoru 42. zapojeného se společným emitorem: A h21T42. Podle velikosti teplotní závislosti citlivosti odporového detektoru záření £, lze nastavit kompenzaci této citliv.osti volbou hodnot odporů 17. 18 a 19. V příkladovém zapojení podle obr. 2 se jedná o kladnou zpětnou vazbu, to znamená, že se předpokládá pokles citlivosti odporového detektoru záření 2 s rostoucí teplotou při současném poklesu odporu tohoto detektoru. PodrobnějSí popis funkce zapojení podle obr. 2 je proveden za pomooi obr. 3.

Obr. 3 znázorňuje proudové přenosy zesilovače signálu detektoru záření podle zapojení uvedeném na obr. 2. Osa A znázorňuje frekvenční závislost A(f) hodnoty proudového přenosu A druhé části zesilovače g, definované vztahem (1), osa £ znázorňuje frekvenční závislost hodnoty B (f) proudového přenosu B zpětnovazebního členu g, definovanou vztahem, (2). Oea log f znázorňuje logaritmus nárůstů harmonické frekvenoe £. Průběh A4 představuje průběh proudového přenosu druhé části zesilovače 4 za předpokladu, že zpětnovazební obvod g není zapojen a je nahrazen impedanoí odpovídajíoí vstupní impedanoi. Protože druhá část zesilovače g je přímo vázána, má frekvenčně nezávislý proudový přenos až do kmitočtu f3. Tento kmitočet, který je možno definovat poklesem průběhu proudového přenosu druhé části zesilovače g o 3 dB od jeho hodnoty Ao pro nízké kmitočty, představuje horní mezný kmitočet druhé části zesilovače g.

Zpětnovazební člen g, zapojený podle obr. 2, vykazuje závislost £ (f) uvedenou na obr.

3. Pro nízké kmitočty se neuplatňuje vodivost blokovacího kondenzátorů g£, a tudíž vstupní proud ill zpětnovazebního členu g je roven proudu výstupnímu 112. Ve smyslu definice (2) je tedy B « 0. Od frekvenoe fl se začíná uplatňovat vodivost kondenzátorů g£ a proudový přenos vykazuje pokles s roztouoím kmitočtem. Pro vysoké kmitočty dosahuje hodnota proudového přenosu Bl zpětnovazebního členu g, hodnoty Bl určené vztahefr (3). Kmitočet ££ je definován odohylkou 3 dB od hodnoty přenosu Bl určené vztahem (3)· Při zapojení zpětnovazebního obvodu g β právě popsaným proudovým přenoesm Bl se změní přenos oelého zesilovače signálu odporového detektoru záření, což znázorňuje závislost A(f) proudového přenosu A druhé části zesilovače v oblasti kmitočtů nižších než fl. V oblasti kmitočtů f 1 až f2 dochází ke vzrůstu proudového přenosu A. Je-li pro kmitočty vyšší než f2 splněna podmínka

A + B , respektive A>/B/ , potom pokles proudového přenosu A s rostoucím kmitočtem f nastává prakticky při zapojeném zpětnovazebním členu i u vyšších kmitočtů f3Í než je kmitočet f3. Pracovní oblast ? je potom definována inteřveleim kmitočtů ? f3^#- f2, přičemž hodnota proudového přenosu A · A^. . ,

Z teorie šumů bipolárních tranzistorů vyplývá, že pro kmitočty až do frekvencí řádu lO^Hz převažuje šumová složka, která má šuraové spektrum nepřímo úměrné frekvenci, tzv. šum 1/f. Optimální přizpůsobení z hlediska šumu v tomto případě nastává pro takový zdroj signálu, jehož výstupní impedance je rovna poloviční hodnotě vnitřního odporu báze tranzistoru, který Je připojen na výstupní svorky zdroje signálu. Zapojení podle vynálezu v důsledku popsané vazby podstatně snižuje velikost efektivní impedance emitorové zátěže tranzistoru J, tj. z hlediska šumu je efektivní impedance na Svorkách 21. 22 zanedbatelná. Optimální šumové přizpůsobení lze zajistit bázovým odporem 31. a to bez ztráty proudové odezvy signálu detektoru. Vzhledem k velmi malé efektivní impedanci na Svorkách 2l· a 22 detektoru £, je podstatně snížena možnost uplatnění vnějěíoh rušivých polí. Další výhoda popsaného zapojení podle vynálezu epočívá v tom, že velikostí druhého zpětnovazebního odporu 14 lze v širokém rozmezí kompenzovat teplotní závislost citlivosti odporového detektoru záření £. K jemnějšímu dostavení kompenzace potom stačí optimalizovat prvý odpor 11. druhý odpor 18 a třetí odoor 19 pro teplotní koapenzaei.

Claims (1)

1. L. Zapojení, zesilovače signálu odporového detektoru záření sestávající ze dvou částí a zpětnovazebního členu, kde prvá část je vytvořena jedním nebo víoe paralelně zapojenými tranzistory, 8 jejichž emitory je propojen jeden vývod odporového detektoru a kolektory těchto tranzistorů jsou propojeny se vstupem druhé části zesilovače, tvořené zesllovaoí větví, obsahující nejméně jeden aktivní prvek, vyznačené tím, že druhá čáet zesilovače (4). jejíž hodnota proudového přenosu (A) je pro praoovní oblast kmitočtů (?) kladná, má výstupní svorku(40) propojenou se vstupní svorkou (11) zpětnovazebního členu (1), přičemž výstupní svorka (12) zpětnovazebního členu (1) je propojena se společným bodem (21) emitoru tranzistoru (3) z prvé části zesilovače a odporového detektoru (2).

   !· Zapojení zesilovače signálu odporového detektoru záření podle bodu 1, vyznačené tím, že mezi vstupní svorkou (11) a výstupní svorkou (12) zpětnovazebního členu (1) je připojen odporový řetěze o (13, 14) tvořený nejméně jedním odporem.