Модуль на малошумящих полевых транзисторах для обработки сигналов лавинных фотодиодов

Введение

Анализ параметров современных фотоприёмников показал, что во многих случаях реализация оптико-электронных устройств, регистрирующих десятки фотонов, целесообразна на основе лавинного фотодиода (ЛФД) и малошумящей считывающей электроники [1]. Ранее авторами статьи были разработаны и экспериментально исследованы электронные модули CRP-MDL-1 и CRP-MDL-2, предназначенные для обработки сигналов ЛФД [2, 3] и использующие аналоговую ИС для датчиков космической аппа­ратуры [4].

Анализ измерений выявил недостаточно эффективную обработку сигналов ЛФД с большой внутренней ёмкостью (C_D) из-за повышенного уровня шумов, который для зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ) характеризуется зависимостью эквивалентного шумового заряда (ENC, Equivalent Noise Charge) от ёмкости, соединённой с входом. Под эквивалентным шумовым зарядом понимается входной заряд, вызывающий на выходе системы сигнал, равный среднеквадратическому значению напряжения шумов. Обычно величина ENC описывается среднеквадратическим значением заряда, выраженным в количестве электронов (эл.).

Изучение передовых изделий данного класса показало, что предельно малый уровень шумов обычно достигается за счёт применения дискретного малошумящего полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа (n-ПТП). В этом случае минимизация шума возможна за счёт ёмкостного согласования n-ПТП и ЛФД (желательно, чтобы входная ёмкость транзистора была равна ёмкости ЛФД) и охлаждения транзистора. Примером таких устройств являются гибридные ИС фирмы Amptek (США) [5–8].

Целью настоящей статьи является анализ схемы и параметров электронного модуля обработки сигналов ЛФД, созданного на основе модернизированной аналоговой ИС для датчиков космической аппаратуры и малошумящих дискретных n-ПТП.

Особенности электронного модуля

Для создания устройства обработки сигналов ЛФД с предельно низким уровнем ENC были выполнены следующие работы:

• модернизирована аналоговая ИС для датчиков космической аппаратуры [4], в которой операционные усилители (ОУ) U1A и U1B заменены на входной каскад CSP-Stage2 (см. рис. 1), а ОУ U2A, U2B и U2C, входящие в инструментальный усилитель, в новой ИС (см. рис. 2) выполнены в виде отдельных компонентов;
• разработана электрическая схема модуля (см. рис. 3), предусматривающая возможность подключения дискретных транзисторов;
• исследованы характеристики модуля при использовании n-ПТП с различной входной ёмкостью (см. таблицу).

Структурная схема модернизированной ИС приведена на рисунке 2. Она содержит два входных каскада CSP-Stage2-1, CSP-Stage2-2, работающих с внешним n-ПТП, два инвертирующих усилителя напряжения U4A, U4B с головным малошумящим p-ПТП и токовым аттенюатором [4], три ОУ (U2A, U2B и U2C) с резистором 9,2 кОм в цепи отрицательной обратной связи, и блоки U3B, U3C, задающие рабочий режим.

При подключении к выводу IN блока CSP-Stage2 стока внешнего n-ПТП, исток которого соединён с шиной нулевого потенциала, а затвор – с входом, и соединении выводов REF и ADD полученная схема представляет собой «перегнутый» каскод, в котором транзистор Q1 включён с общей базой, а усиление по напряжению определяется крутизной внешнего n-ПТП и суммарным сопротивлением всех параллельных цепей, соединённых с высокоимпедансным узлом – коллектором Q1.

Канал обработки сигнала фотодиода, реализованный в электронном модуле (см. рис. 3), включает:

• ЗЧУ на CSP-Stage2-2, J₁, C₂, R₃;
• дифференцирующую цепь R₁С₁ с «компенсацией полюса нулём» резистором R₂;
• последовательно соединённые активные интеграторы: первый (C₆, R₁₁, U4A), второй (C₃, R₅, U2B), третий (C₄, R₇, U2A) и четвертый (C₅, R₈, U2C).

Таким образом, канал обработки образуют последовательно соединённые ЗЧУ и активный полосовой фильтр типа CR-RC⁴.

Экспериментальные результаты

Измерения характеристик элект­ронного модуля выполнялись с помощью комплекта оборудования, вклю­чающего:

• цифровой осциллограф Agilent MSO 6052A или Infiniium HP 54830B;
• выносной пробник 10073C;
• генератор сигналов произвольной формы Agilent 33250A;
• аттенюатор Agilent 8494G;
• двухканальный источник питания Agilent Е3646;
• интерфейсный модуль USB – GPIB Agilent 82357B;
• систему сбора данных Agilent 34970A с набором управляющих модулей;
• персональный компьютер;
• импульсный калибратор И1-15;
• делитель напряжения ДН-1.

Оборудование было объединено в систему с помощью шины GPIB. Управление осуществлялось посредством разработанного в среде Agilent VEE специализированного программного обеспечения для автоматизированного измерения характеристик ИС. Полученные данные записывались в текстовый файл, дальнейшая обработка которого производилась в среде MS EXCEL с помощью стандартных средств и специализированных программ (макросов).

В результате измерений установ­лено, что шумы электронного модуля с разными транзисторами опи­сываются следующими соотношениями:

• для ПТП типа КП303 – 448 эл.+ 29,5 эл./пФ при времени пика T_P = 1,5 мкс;
• для ПТП типа IF140 – 421 эл.+ 14,1 эл./пФ при T_P = 1,5 мкс;
• для ПТП типа KS152 – 223 эл.+ 5,0 эл./пФ при T_P = 1,4 мкс;
• для ПТП типа KS152 – 226 эл.+ 3,8 эл./пФ при T_P = 2,1 мкс;
• для ПТП типа KS363V – 321 эл.+ 2,3 эл./пФ при T_P = 1,5 мкс;
• для ПТП типа KS363V – 292 эл.+ 1,9 эл./пФ при T_P = 2,2 мкс.

Анализ результатов измерений показал, что наименьший уровень шумов для ЛФД с большой ёмкостью обеспечивает применение транзистора KS363V при T_P = 2,2 мкс, а для ЛФД с малой ёмкостью – транзистора KS152 при T_P = 1,4 мкс.

Результаты измерений характеристик электронного модуля также иллюстрируют рисунки 4–10, на которых приведены:

• формы выходных сигналов при использовании головных транзисторов КП303, IF140, KS152, конкретной величине входного заряда (Q_IN) и разных C_D;
• зависимости ENC от внутренней ёмкости C_D при различном времени пика выходного сигнала (T_P).

Рисунки 4–10 можно скачать единым архивом из интернет-приложения к статье на интернет-странице журнала (www.soel.ru).

Заключение

Разработан электронный модуль обработки сигналов ЛФД, состоящий из зарядочувствительного усилителя и активного полосового фильтра со структурой CR-RC⁴. Модуль преобразует короткие токовые импульсы в выходное напряжение и характеризуется малым уровнем собственных шумов, определяемым, в основном, внешним полевым транзистором. Для ЛФД с большой ёмкостью целесообразно применять ПТП типа KS363V, для которого уровень шумов описывается соотношением 292 эл.+1,9 эл./пФ при времени пика 2,2 мкс.

Низкий уровень шумов модуля позволяет эффективно регистрировать токовые импульсы различных ЛФД, кремниевых и газовых детекторов частиц и ионизирующих излучений и других ёмкостных датчиков.

Литература

1. Дворников О.В. Средства регистрации импульсного видимого излучения малой интенсивности. Часть 1: Особенности и возможности многоканальных фотоприёмников с внутренним усилением. Приборы и методы измерений. № 2 (5). 2012. С. 5–13.
2. Дворников О.В. Электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов. Инженерный вестник Дона. № 4 (часть 2). 2012. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1338.
3. Дворников О.В. Малошумящий электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов. Приборы и методы измерений. № 2 (7). 2012. С. 42–46.
4. Дворников О.В. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков космической аппаратуры. Современная электроника. №3. 2011. С. 56–65.
5. Charge Sensitive Preamplifier. A-250. A New State-of-the-Art. http://www.amptek.com.
6. A250 Application Notes. (AN250-2, Revision 3). http://www.amptek.com.
7. Pulse Amplifier A275. http://www.amptek.com.
8. Pulse Amplifier A275FC, A275FN. http://www.amptek.com.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!