DE2141211A1 - Rauscharmer Verstarker - Google Patents

Description

Patentanwälte DIpl.-lng. R. BEETZ sen.
DIpI-Ing. K. LAM PRECHT ,-..-. , „ ,, . __

Dr.-lng. R. Q E E T Z Jr. 54>17»4l9P I7. 8. I97I

München 22, Steinsdorfetr. 1«

ORTEC Incorporated, Oak Ridge (Tennessee 37830), V.St.A.

Rauscharmer Verstärker

Die Erfindung betrifft einen Verstärker, insbesondere einen Verstärker, der sowohl den sog» Bootstrap-Effekt und die Ladungsempfindlichkeit ausnutzt, um beträchtlich den Gesamtrauschwert des Verstärkers zu verringern oder klein zu halten»

Die erhaltenen Energieauflösungen bei der Messung bestimmter mittlerer und hoher Energieniveaus (z.B. von Gamma- oder Betastrahlung) haben bereits seit langem die Grenzen erreicht, besonders bei Verwendung von Germanium- und Siliziumdetektoren, Das ist vor allem auf den Umstand zurückzuführen, daß die |

Grenzwerte durch den statistischen Charakter der Germanium- und Siliziumladungsträgerbildung bestimmt sind. Daher würde jede Verbesserung im Gesamtrauschwert des Verstärkersystems für Energien oberhalb eines bestimmten Niveaus nicht sinnvoll sein.

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Wenn jedoch die erfaßte Energie unter ein bestimmtes I.nergie- ^: niveau fällt, ist das Vorverstärkerrauschen im allgemeinen verantwortlich für Begrenzungen in der Auflösung des Ge-amt- systems. Daher ist bei niedrigen Energieniveaus das Vorverstärkerrauschen von großer Wichtigkeit.

Die Erfindung betrifft einen Verstärker 'Vorverstärker), der Gebrauch macht von den kombinierten Punktionen des ^ootstrap-Effekts (positive Rückkopplung) und der Ladungsempfindlichkeit, um eine Verringerung im Gesamtverstärkerrauschwert und eine Verringerung der Verstärkerempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Detektorkapazität zu erreichen, wenn der Verstärker zusammen mit einem Strahlungsdetektor oder einem kapazitiven Signalumformer an seinem Eingang verwendet wird. Der Zweck des Bootstrap-Effekt^ ist, die wirksame Detektor- und Streukapazität bedeutet geringer als im Fall eines üblichen ladungsempfindlichen Vorverstärkers zu machen. Durch Erreichen der niedrigeren wirksamen Kapazität wird das vom Verstärker erzeugte Rauschen verringert. Die Erfindung gibt ferner ein neues System an, bei dem der De r,ektormeßkopf, der Verstärker und das Rückkopplungsnetzwerk in einem Behälter eingeschlossen sind, der ebenfalls dem Bootstrap-Effekt unterliegen kann. Dieser Behälter verhält sich gegenüber allen im Innern befindlichen Bauelementen als wirksame Erde, so daß die Streukapazitäten durch den Bootstrap-Effekt verringert werden können, während sie in einem üblichen ladungsempfindlichen Verstärker nicht verringert werden könnten. Die Erfindung sieht auch die Ausnutzung des sog. Miller-Effekts vor, der als Fffekt definiert werden kann, der infolge Rückkopplung die Eingangskapazität eines elektronischen Verstärkers größer als die Summe der statischen Zwischenelektrodenkapazitäten werden läßt.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verstärker-' system anzugeben, das den Miller-Effekt ausnutzt. Insbesondere sollen die kombinierten Fffekte von Ladungsempfindlichkeit und Bootstrap-Effekt? ausgenutzt werden. Ferner soll die Signalquelle in einer Bootstrap-Abschirmung eingeschlossen sein.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Lehre nach den Patentansprüchen gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Fs j zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels

des erfindungsgemäßen Verstärkers; und Fig. 2 ein genaueres Schaltbild des Verstärkers von Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein kapazitiver Detektor 10.0 gezeigt, von dem eine Flektrode an einen Eingang eines Verstärkers 12.0 mit der Verstärkung Eins angeschlossen ist (die Angabe A - +1 bedeutet Verstärkung Fins). Das Ausgangssignal des Verstärkers 12.0 wird als ein Eingangssignal einem Verstärker 14 zugeführt, der eine relativ hohe Verstärkung hat, wobei dessen ä Ausgangssignal mit dem nichtgeerdeten Ausgang von Ausgängen verbunden ist. Die Verstärker 14 und 12.0 sind ferner mit einem Rückkopplungsnetzwerk lc.O versehen, wobei eine Wechselstromrückkopplung durch einen Kondensator lS.l und eine Gleichstromrückkopplung durch einen Widerstand 18.2 vorgenommen wird. Die durch das Netzwerk 18.0 bewirkte Rückkopplung erstreckt sich vom Ausgang des Verstärkers 14 zurück zum Fingang des Verstärkers 12.0.

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Um den Bootstrap-Effekt zu bewirken, ist ein Kondensator 20 zwischen den Ausgang des Verstärkers 12.0 und die andere Elektrode des kapazitiven Detektors 10.0 geschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12·0 wird an einem Widerstand 24 erzeugt, der zwischen den Verstärker 12.0 und einer Bezugspotentialquelle, hier Erde, liegt. Die am Widerstand 24 erzeugte Wechselspannung wird auch der übrigen Elektrode des kapazitiven Detektors 10.0 zusammen mit der Betriebsvorspannung zugeführt. Die Betriebsvorspannung liegt an einem Anschluß an und gelangt zum Detektor 10,0 über einen Widerstand 22.

In Fig. 2 ist ein genaueres Schaltbild des erfindungsgemäßen Verstärkers von Fig. 1 abgebildet. Es ist ein Vorverstärker 10.6 vorhanden, der zum Verstärker 12.0 mit der Verstärkung Eins in Fig, 1 gehört. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor als das aktive Bauelement 10.6 gezeigt ist, ist es ersichtlich, daß auch ändere aktive Bauelemente verwendet werden können. Der Feldeffekttransistor 10.6 hat die übliche Senken-, Gatter- und Quellenelektrode zusammen mit der unvermeidbaren Gatter-, Senken-Zwischenelektrodenkapazität 10.5 (hier durch Strichlinien angedeutet) und der üblichen Gatter-Quellen-Kapazität 10.4 (hier ebenfalls durch Strichlinien angedeutet). Ein Rückkopplungsnetzwerk 18.0 liegt zwischen dem Gatter des aktiven Bauelements 10.6 und dem Ausgang des Verstärkers 14 und ist mit einem üblichen Wechselstrom-rückkoppelnden Kondensator 18.1 und Gleichstromrückkoppelnden Widerstand 18.2 versehen. Ausgänge 16 sind auch mit dem Ausgang des Verstärkers 14 verbunden. Der Detektor, der hier ein Kondensator 10.3 ist, ist mit einer Elektrode an das Gatter des aktiven Bauelements 10.6 und mit seiner anderen oder vorgespannten Seite an eine Abschirmung 10,1 angeschlossen, die ihererseits über einen Widerstand 22 mit einer Quelle von Detektorvorspannung verbunden ist, die am Anschluß 26 verfügbar ist.

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Das Arbeitspotential für den Feldeffekttransistor I0.6 wird durch Anschlüsse +B und -B geliefert, wobei +B über einen Widerstand 28 mit der Senke des Feldeffekttransistors 10.6 verbunden ist, während die Quelle mit dem Anschluß -B über einen Widerstand 24 verbunden ist. Ein Ende des Bootstrap-Kondensators 20 ist mit dem Verbindungspunkt des Widerstands 24 und der Quelle des Feldeffekttransistors 10.6 verbunden, während das andere Ende des Konderisators 20 an den Verbindungspunkt der vorgespannten Elektrode des Detektors 10,3* der Abschirmung 10.1 und des Widerstands 22 angeschlossen ist, um irgendein am Widerstand 24 erzeugtes Wechselspannungssignal M der vorgespannten Elektrode des Detektors 10.3 zuzuführen. Das am Widerstand 24 erzeugte Signal wird als Eingangssignal dem Verstärker 12;1 mit der Verstärkung Eins zugeführt, dessen Ausgangssignal über einen Kondensator 30 zurück zur Senke des aktiven Bauelements 10.6 gekoppelt wird. Das am Widerstand 24 erzeugte Signal wird auch als ein Eingangssignal dem Verstärker 14 zugeführt. Ein zwischen dem Gatter des Feldeffekttransistors 10.6 und dem Gehäuse 10.1 dargestellter Kondensator 10.2 stellt die Streukapazität dar.

Aus Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß einfallende Strahlung, die auf den kapazitiven Detektor 10*3 fällt oder durch ihn erfaßt wird, eine Ladungsmenge von diesem freisetzt, die f Ladung Q. genannt werden kann. Da der Verstärker 14 eine sehr hohe Leerlaufverstärkung hat und invertiert, erzeugt die am Kondensator 18.1 gesammelte Ladung Q ein Ausgangssignal, nämlich:

v_rt = (l)

^cf

wobei C die Kapazität 18,1 darstellt· Das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors 10.6 (gezeigt in Fig. 2 als das am _f

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Widerstand 24 erzeugte Ausgangssignal) wird zur vorgespannten Elektrode des Kondensators 10.3 über den Bootstrap-Kondensator 20 zurückgeleitet, der eine relativ hohe Kapazität hat, deren Wert groß im Vergleich zu der des kapazitiven Detektors 10.3 und der Streukapazität 10.2 sein muß, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Die notwendige Gleichstromrückkopplung für den Vorverstärker 10.6 wird über den Verstärker 18.2 des Rückkopplungsnetzwerks 18.0 erzielt.

Die Streukapazität 10.2 (C ) zur Abschirmung 10.1 unterliegt dem Bootstrap-Effekt, wie es für die Gatter-Quellen-Kapazität 10.4 (Cgs) der Fall ist, und die Detektorkapazität 10.3 (C_d) wird wegen der obigen Verbindungen in ihrem wirksamen Wert durch die folgenden Gleichungen reduziert:

C_s (effektiv) - C₈ (1 - A_gjg) (2)

C_d (effektiv) = C_d (1 - A_gg) (3) mit A als Gatter-Quellen-Verstärkung und

C_gs (effektiv) - C_gs (1 - A_gB). (4)

Ferner wird irgendeine zu erdende Impedanz in ihrem wirksamen Wert erhöht auf:

Z
Z (effektiv) = . (5)

^¹ - V

Es ist festgestellt worden, daß die verursachte Streukapazität ein erhöhtes Rauschen im Verstärker veranlaßt und, wie festgestellt wurde, eine Hauptrauschquelle darstellt. Daher wird die Abschirmung 10.1 ein wichtiges Bauelement, sofern

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der Bootstrap-Effekt betrachtet wird. Auf diese Weise wird die große zusammengesetzte Vorverstärker-Abschirmungs-Kapazität C_. wirksam durch den Bootstrap-, Rückkopplungs-Effekt reduziert.

Obwohl die Bootstrapabschirmung als mit der Hochspannungsseite des kapazitiven Detektors 10.3 gekoppelt abgebildet ist, ist es offensichtlich, daß dies nur der Einfachheit halber geschehen ist und die Abschirmung auch an die Quelle des Feldeffekttransistors 10.6 angeschlossen worden sein könnte, der näher am Erdpotential liegt.

Obwohl das System eine Gleichstromverbindung zwischen dem Ver- ^ Stärkereingang (Gatter) und dem Detektor zeigt, ist es offensichtlich, daß auch eine Wechselstromverbindung dadurch erzielt werden kann, daÄ einfach ein großer Kondensator zwischen die obere Elektrode des kapazitiven Detektors 10.3 und den Verstärkereingang (Gatter) geschaltet wird. Im letzteren Fall würde die obere Elektrode des Kondensators 10.3 wechseistroramäßig auf Erde über einen großen Widerstand zurückgebracht werden, und beide Anschlüsse des kapazitiven Detektors 10.3 könnten bei Hochspannung betrieben werden.

Eine weitere Verbesserung durch die erfindungsgemäße Schaltung = liegt in der Reduzierung des Werts der Gatter-Senken-Kapazitat (C _d) 10.5 durch den Bootstrap-Effekt, während die Gatter- ™ Senken-Kapazität (C ,) auf einen wirksamen Wert durch die folgende Gleichung verringert wird:

C_gd (effektiv) = C_gd (1 - A), (6)

mit A als Verstärkung des Feldeffekttransistors 10c6 und des Verstärkers 12.1. Das wird erreicht durch Anwendung des Bootstrap-Effekt s auf die Senke des Feldeffekttransistors 10.6, unter Benutzung eines Kondensators 30 und des Verstärkers 12.1.

Die durch die Ausnutzung des Bootstrap-Effekts resultierende

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Gesamtverbesserung führt zur Verringerung des Beitrags zum Rauschen des Verstärkers 15 im Verhältnis zum Rauschen des gesamten Verstärkersystems.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Rauscharmer Verstärker, geScennzei chnet durch

eine erste Verstärkerstufe(12.0)und eine zweite Verstärteerstufe(l4\ die jeweils einen Eingang und einen Ausgang'haben?

wobei der Ausgang des ersten Verstärkers(12_eO)mit dem Eingang des zweiten Verstärkers(14)verbunden istj

einen kapazitiven Signal- oder MeßumforrnerijOrQn dem eine · ä Elektrode an den Eingang des ersten Meßumformers(14)sngeschlössen istj

einen Bootstrap-Kondensatorf205 zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers(12₀0) und der anderen Elektrode' des kapazitiven Meßumformers (10_e0)j und

ein Rückkopplungsnetzvjerk (l8_e0) zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers und dem Eingang des ersten Verstärkers_e

2« Verstärker nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (12,0) die Verstärkung Eins hat, und daß

der zweite Verstärker (14) eine hohe Verstärkung zeigte j

5, Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ₉ daß der erste Verstärker aufweist;
eine Vorverstärkerstufe;

eine elektrische Abschirmung (1O₀I)^ die die Vorverstärkerstufe umgibt? und

eine Einrichtung zur Verbindung der anderen Elektrode des 'kapazitiven Detektors(10_e0) mit äem abzuschirmenden Bootstraps Kondensator (20)«

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4« Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rüekkopplungsnetzwerk (18,0) eine Parallelschaltung von Widerstand (I8_e2) und Kondensator (18.1) hat.

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