Preamplificator de încărcare

Figura arată circuitul tipic al unui CSP cuplat în curent alternativ

Preamplificatorul sensibil la încărcare (Charge Sensitive Preamplifier) este un dispozitiv electronic capabil să integreze un semnal de curent care furnizează la ieșire un semnal de tensiune cu o amplitudine proporțională cu încărcarea mesajelor primite.

Caracteristici

Din punct de vedere al circuitului, este format dintr-un amplificator inversor și alte trei elemente:

Cin: Capacitatea de intrare care are funcția de bloc DC, adică împiedică integrarea semnalelor afectate de offset. Prezența acestei capacități realizează cuplarea AC a dispozitivului.

Cf: Capacitate de feedback care realizează de fapt integrarea semnalului curent

Rf: Rezistor de feedback care readuce circuitul în condiții pentru a putea realiza o nouă integrare a semnalului de intrare.

Utilizări

Una dintre cele mai frecvente utilizări ale acestor dispozitive este citirea semnalelor provenite de la fotodetectori .

De fapt, în general, în cei mai obișnuiți fotodetectori ( SiPM , APD , GM-APD ), informațiile se află în sarcina generată în interiorul lor.

Pentru o evaluare corectă a ieșirii acestor senzori este necesar să citiți și să amplificați în mod corespunzător valoarea încărcării eliberate de aceștia prin intermediul CSP.

Unul dintre avantajele acestui dispozitiv este insensibilitatea acestora față de capacitatea fotodetectorilor.

De obicei, de fapt, în detectoarele de stare solidă, se poate întâmpla ca capacitatea să aibă fluctuații semnificative în timp, care ar putea modifica funcționarea circuitului integrator.

Comportamentul integrativ al preamplificatorului de încărcare

Pentru non-experți nu este banal să înțeleagă cum un circuit de acest tip realizează o integrare a semnalului de curent de intrare.

Vedem acum să clarificăm acest aspect prin intermediul unor pasaje analitice.

Pe nodul de masă virtual, următoarea relație se aplică curenților:

I_{IN}+I_{CF}+I_{RF}=0

{\ displaystyle I_ {IN} + I_ {CF} + I_ {RF} = 0}

{\ displaystyle I_ {IN} + I_ {CF} + I_ {RF} = 0}

Pentru a evidenția doar comportamentul integratorului dispozitivului, neglijăm pentru moment efectul rezistenței de feedback care, după cum sa menționat, are singura funcție de a readuce circuitul în condiții de funcționare.

Relația anterioară devine, prin urmare:

I_{IN}=-I_{CF}

{\ displaystyle I_ {IN} = - I_ {CF}}

{\ displaystyle I_ {IN} = - I_ {CF}}

I_{IN}=-C_{f}{\frac {dV_{OUT}}{dt}}

{\ displaystyle I_ {IN} = - C_ {f} {\ frac {dV_ {OUT}} {dt}}}

{\ displaystyle I_ {IN} = - C_ {f} {\ frac {dV_ {OUT}} {dt}}}

obținem o ecuație diferențială simplă cu variabile separabile.

Prin integrarea ambilor membri obțineți:

\int _{}^{}I_{IN}\,dt=\int _{}^{}-C_{f}\,dVout

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = \ int _ {} ^ {} - C_ {f} \, dVout}

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = \ int _ {} ^ {} - C_ {f} \, dVout}

\int _{}^{}I_{IN}\,dt=-C_{f}\int _{}^{}\,dVout

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = -C_ {f} \ int _ {} ^ {} \, dVout}

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = -C_ {f} \ int _ {} ^ {} \, dVout}

\int _{}^{}I_{IN}\,dt=-C_{f}V{out}

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = -C_ {f} V {out}}

{\ displaystyle \ int _ {} ^ {} I_ {IN} \, dt = -C_ {f} V {out}}

Prin urmare, se pare că:

Q=-C_{f}V_{out}

{\ displaystyle Q = -C_ {f} V_ {out}}

{\ displaystyle Q = -C_ {f} V_ {out}}

Din care rezultă că:

V_{out}=-{\frac {Q}{C_{f}}}

{\ displaystyle V_ {out} = - {\ frac {Q} {C_ {f}}}}

{\ displaystyle V_ {out} = - {\ frac {Q} {C_ {f}}}}

Din formula finală se poate observa că există o relație directă între sarcina eliberată de detector și tensiunea de ieșire din preamplificatorul de încărcare.

Constanta proporționalității este cantitatea 1 / Cf care exprimă câștigul de încărcare, un parametru foarte important într-un CSP.

Semnul negativ din formulă este determinat de comportamentul inversor al dispozitivului.

Având în vedere și efectul rezistenței Rf și rezolvând ecuația diferențială corespunzătoare (mai complicată decât precedenta) ajungem la următorul rezultat:

V_{out}(t)=-{\frac {Q}{C_{F}}}\cdot e^{-{\frac {t}{\tau }}}

{\ displaystyle V_ {out} (t) = - {\ frac {Q} {C_ {F}}} \ cdot e ^ {- {\ frac {t} {\ tau}}}}

{\ displaystyle V_ {out} (t) = - {\ frac {Q} {C_ {F}}} \ cdot e ^ {- {\ frac {t} {\ tau}}}}

Unde este:

\tau =R_{F}C_{F}

{\ displaystyle \ tau = R_ {F} C_ {F}}

{\ displaystyle \ tau = R_ {F} C_ {F}}

Este important ca Rf să fie mare pentru a avea o constantă de timp ridicată $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ pentru a evita ca o coborâre prea rapidă să pună în pericol valoarea integralei prea devreme.

Semnal de ieșire de la un preamplificator de încărcare

Să presupunem că următorul semnal (tipic unui SiPM) este introdus în preamplificator

Ieșirea preamplificatorului va fi după cum urmează:

Creșterea ieșirii preamplificatorului de încărcare corespunde duratei impulsului curent plasat la intrare.

Timpul de creștere corespunde timpului în care dispozitivul integrează semnalul curent.

Rețineți că datorită capacității de intrare Cin dispozitivul acționează ca un integrator numai cu semnale cu o frecvență suficient de mare.

Partea dreaptă a imaginii evidențiază decăderea lentă a ieșirii CSP cauzată de rezistența Rf.

Rf, Cf, Cin trebuie să fie dimensionate corespunzător în funcție de caracteristicile semnalului care urmează să fie integrat.

Bibliografie

Mirco Ravanelli, Michele Lorengo, Proiectarea și implementarea unui set de măsurare pentru fotodetectoarele de siliciu SiPM, Unitn, Teză, 2008.

Portalul de fizică

Portal de inginerie