Wzmacniacz. Transkonduktancyjny

Wzmacniacz. Transkonduktancyjny

  Spora cześć sensorów ma dużą lub wręcz „nieskończoną” rezystancje wewnętrzną ale ma określoną pojemność wyjściową. W tej grupie sensorów jest fotodioda także lawinowa, fotopowielacz, lampy obrazowe do kamer a w tym widikon, sensory „elektrometryczne”, sensory elektrochemiczne, sensory piezoelektryczne, hydrofon...

Przy nieskończonej oporności wewnętrznej potencjalna moc sygnału tych sensorów jako źródeł prądowych jest jak 1/F.

Można te pojemnościowe sensory zbocznikować dość małym rezystorem adekwatnym dla wymaganego pasma sygnału i sygnał taki mocno wzmocnić napięciowo. Niestety w ten sposób potencjalną moc sygnału sensora bardzo mocno zmniejszymy z opłakanym skutkiem !

Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji odwracającej na wejściu ujemnym ma małą impedancje ( Virtual Ground ) co można wykorzystać właśnie z sensorami mającymi sporą pojemność. Na tle wzmacniacza transkonduktancyjnego ( wejściowy prąd zamienia na wyjściowe napięcie i stąd jego nazwa) uzyskany efekt przy zbocznikowaniu sensora rezystancją i wielkim wzmocnieniu napięciowym jest bardzo zły.

Wzmacniacze transkonduktancyjne współpracują z fotodiodami a w tym fotodiodami lawinowymi czy fotopowielaczami i detektorami cząstek mogą pracować zarówno w modzie powolnym „stałoprądowym” DC jak i bardzo szybkim modzie impulsowym przy „zliczaniu” pojedynczych elektronów z fotonów z fotokatody oczywiście powielonych miliony razy w fotopowielaczu. Przed fotopowielaczem można użyć kryształu scyntylacyjnego zamieniającego przykładowo promieniowanie rentgenowskie X na widzialne lub ultrafioletowe UV.

Przy użyciu tylko rezystora w ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza transkonduktancyjnego pojemność sensora oczywiście zdestabilizuje pętle sprzężenia zwrotnego i dla stabilnej pracy pętli sprzężenia zwrotnego konieczne jest danie równolegle do rezystora ujemnego sprzężenia zwrotnego małej stabilizującej pojemności różniczkującej. Ta jawna pojemność - kondensator jest w układach szerokopasmowych stosowana gdy rezystor ma mniejszą oporność niż około 100 K. Przy większych wartościach rezystora sprzężenia zwrotnego wystarczy jego pasożytnicza pojemność ( także pojemności ścieżek płyty drukowanej PCB ), która jest tu konieczna. Odpowiednim łączeniem rezystorów sprzężenia zwrotnego pojemność tą można dostosować do potrzeb.

Gdy rezystor ma wartości gigaomowe i pojemność rezystora jest za duża stosuje się na wyjściu wzmacniacza dzielnik napięcia i dopiero duży rezystor w tak zwanym układzie T.

Sprawę stabilności tylko zasygnalizowano jako że sprawę kompensacji częstotliwościowej każdego wzmacniacza i całej pętli sprzężenia zwrotnego omówiono szeroko w innym miejscu.

Wzmacniacz transkonduktancyjny stosowany jest do Hydrofonu czyli specyficznego sensora piezoelektrycznego ( czyli specyficzny mikrofon ale dopasowany do falowych własności wody a nie powietrza, które są całkowicie inne ) który może być głęboko zanurzony. Hydrofony mogą być kierunkowe. Hydrofon skonstruowano już w czasie I Wojny Światowej a sygnał z niego wzmocniono wtedy triodą. Próbowano wykrywać okręty podwodne.

Niemieckie łodzie podwodne już w czasie I Wojny wyrządzały istotne szkody natomiast w czasie II Wojny wilcze stada niemieckich Ubotów wyrządzały aliantom gigantyczne szkody zatapiając miliony ton drogiego zaopatrzenia wojennego dla ZSRR i Anglii co spowodowało szybkie opracowanie i zastosowanie skutecznych środków ich wykrywania i niszczenia.

Obecnie potężne okręty podwodne USA i ZSRR z rakietami z głowicami jądrowymi na pokładzie przebywają w bliżej nieznanych miejscach blisko wybrzeży i krytycznych miejsc wroga zdolne momentalnie dokonać dewastującego i morderczego ataku zarówno agresywnego lub odwetowego. Zatem nic dziwnego że celem podjętych w USA prac nad DSP ( Digital Signal Processing czyli cyfrowe przetwarzanie sygnałów ) jest automatyzacja rozpoznawania i klasyfikacji sygnałów z hydrofonów i radarów dalekiego zasięgu. Niedługo minie 35 lat od zakończenia wojny i równowaga strachu przed atomową zagładą powoduje że w Europie jest pokój co jest historycznie osiągnięciem fantastycznym i raczej nie zanosi się na wojnę.

Bałtyk jest morzem płytkim (jak jezioro) i flota podwodna ma mniejsze znaczenie ale polskie stocznie biorą udział w wysiłki obronnym ZSRR i siłą rzeczy temat winien nas interesować.

W USA opłacone przez państwo wyniki badań dla celów militarnych są udostępniane innym firmom i pieniądze nie są wyrzucane w błoto. Wojna nuklearna nie ma szans stać się opłacalnym interesem jak inne wojny ze słabszym przeciwnikiem.

Wyrafinowane wzmacniacze transkonduktancyjne są stosowane w normalnym sprzęcie cywilnym i militarnym.

Wzmacniacz transkonduktancyjny stosowany jest na przykład w polskich kamerach TP-K16 jako wzmacniacz do widikonu.

Sygnał wyjściowy z płytki widikonu w tej kamerze wynosi jedynie 0.12uA i podano go krótkim połączeniem do ekranowanego wzmacniacza transkonduktancyjnego. Użyto przed wzmacniaczem operacyjnym uA702 wtórnika źródłowego na tranzystorze JFet 2N3823. Tranzystor JFet jest w przypadku źródeł sygnału o wysokiej oporności z pojemnością wewnętrzną nie do pobicia pod względem wznoszonych szumów w całym zakresie częstotliwości. Dla poprawy obciążalności wyjścia układu wzmacniacza operacyjnego uA702 dodano na wyjściu wtórnik emiterowy. Dzięki temu że rezystor sprzężenia zwrotnego 200 K ma niewielką pasożytniczą pojemność ( pojemność istnieje też między ścieżkami płytki drukowanej PCB ) a płytka sygnałowa Vidiconu ma rozłożoną oporność i wejście nie jest czysto pojemnościowe wzmacniacz jest w ogóle stabilny choć na pierwszy rzut oka powinien być niestabilny. Wyjście sygnałowe Vidikonu czyli wejście wzmacniacza transkonduktancyjnego muszą być szczelnie ekranowane bowiem w postaci mory na ekranie monitora widoczne będą odebrane stacje długofalowe, lokalne średniofalowe a nawet krótkofalowe.

Przy średnich i dużych wartościach impedancji źródła sygnału tranzystor polowy złączowy JFet jest zdecydowanie najlepszy pod względem szumów i prądu polaryzacji.

Tranzystory JFet są produkowane w kilku odmianach:

-O małej powierzchni struktury do źródeł o bardzo dużej impedancji. Mają bardzo mały prąd polaryzacji bramki i prąd szumów ale większe napięcie szumów. Przy małym prądzie drenu i niewielkim napięciu Uds w temperaturze 25C prąd bramki wybranych egzemplarzy może być 0.05 pA !

-O średniej powierzchni ( najpopularniejsze ) do typowych dla Feta źródeł sygnałów.

-O dużej powierzchni dla sygnałów o średniej impedancji. Mają małe napięcie szumów ale znacznie większy prąd szumów i prąd polaryzacji.

Wraz ze zwiększeniem powierzchni JFeta typowo wzrasta prąd przy którym pracują Jfety. W przypadku wzmacniacza transkonduktancyjnego minimum szumów przy średnim paśmie otrzymany gdy pojemność wejściowa JFeta jest podobna jak pojemność źródła sygnału ! Wynik skomplikowanych rozważań jest zatem zdumiewająco prosty.

Z fizyki idealnego JFeta wynika odniesiony do wejścia szum napięciowy i prądowy:

-Napięcie wejściowe szumów. Szum termiczny kanału jest równoważny szumowi termicznemu Johnsona bramkowego rezystora o oporności 0.67 / Gm, Gm to transkonduktancja tranzystora w punkcie pracy. Stała 0.67 jest wyznaczona doświadczalnie i bardziej zgodna z rzeczywistością niż wynikająca z teorii, siłą rzeczy uproszczonej. Dla łatwej orientacji gęstość widmowa szumów termicznych Johnsona rezystora 1 K wynosi 4nV/pHz, p oznacza tu pierwiastek z Herza. Transkonduktancja jest proporcjonalna do pierwiastka z prądu drenu i maleje wraz z temperaturą. Czyli widmowa gęstość napięcia szumów maleje z wykładnikiem 0.25 prądu drenu. Rośnie natomiast z temperaturą czyli mocą strat w JFecie. Zatem nie należy stosować zbyt dużego prądu pracy JFeta bowiem ze wzrostem prądu napięcie szumów via transkonduktancja trochę spada ale podwójnie wzrasta ze wzrostem temperatury skutkiem mocy strat !

-Shot noise prądu bramki wynosi 0.57pA/p(HzuA) Istotny jest tylko w zakresie małych częstotliwości i dużej oporności źródła sygnału. Prąd szumów bramki w pasmie B wynosi p(2qIgB) q-ładunek elektronu, Ig prąd stały upływnościowy DC bramki. Prąd upływnościowy bramki podwaja się co 10C.Przy podwyższeniu temperatury z 25C do 125C rośnie 1000 krotnie. Gdy istotny jest prąd upływu i szumów, prąd pracy tranzystora i napięcie Uds muszą być małe aby przyrost temperatury tranzystora nie przekraczał 1C.

Do upływnościowego prądu bramki dochodzi prąd jonizacji zderzeniowej ( o nim dalej) który może osiągnąć katastrofalne wartości.

Dodatkowe zjawiska szumowe

-Szumy napięciowe typu 1/F. Przyczyną są głównie niedoskonałości w siatce krystalicznej. Czyli im lepsza jest technologia produkcji tym szumy te objawiają się dopiero przy niższych częstotliwościach. Technologia jest stale ulepszana i częstotliwość przy której szumy się podwajają spada.

-Napięcie szumów G-R czyli Generacja Rekombinacja. Zjawisko jest nadal mało znane i dalej badane. Spada ono powyżej pewnej częstotliwości, ca 10-100KHz . Przyczyna jest głównie niedoskonałość w siatce krystalicznej i powstałe pułapki ładunku.

Prąd bramki jonizacji zderzeniowej bardzo szybko rośnie powyżej pewnego napięcia Ugd i dodatkowo jest tym większy im większy jest prąd drenu. Nie wolno jest stosować kombinacji napięcia drenu i jego prądu takiej aby jonizacja zderzeniowa występowała.

Przy dużych częstotliwościach i znacznych pojemnościach źródła sygnału optymalne we wzmacniaczu transkonduktancyjnym stają się tranzystory bipolarne.

Układ UL1111 to licencyjny układ CA3046 firmy RCA. Jest to para różnicowa i trzy tranzystory. Obecnie produkowane są w układach monolitycznych o wiele szybsze tranzystory. Na schemacie pokazano szybki de facto różnicowy wzmacniacz transkonduktancyjny do fotopowielacza z UL1111 i tranzystorami dyskretnymi końcowych wtórników emiterowych.

Foton jest trudny do słownego opisu i wyobrażenia kwantem pola elektromagnetycznego. Największą energie mają kolejno fotony promieniowania Gamma, X, nadfioletowego, widzialnego, podczerwieni, krótkich mikrofal, radiowego.

Szybki impulsowy ( powielone elektrony ) sygnał z fotopowielacza podano tylko na jedno wejście wzmacniacza bowiem fotopowielacz ma tylko jedno wyjście czyli asymetryczne.

Za różnicową parą wtórników jest para quasi różnicowa jak w drugim stopniu wzmacniacza operacyjnego uA702 z uziemionymi emiterami. Na wyjściu jest różnicowy wtórnik emiterowy na tranzystorach dyskretnych jako że jeden tranzystor w układzie UL1111 ma emiter połączony z podłożem i jest bezużyteczny w opisanym wzmacniaczu. Równolegle do opornika transkonduktancyjnego sprzężenia zwrotnego dano kondensatorki pojemności 0.5-1 pF. Im większa jest pojemność źródła sygnału tym większa jest optymalna pojemność kondensatorków. Na wejściu drugiego wejścia wzmacniacza dano podobną jak źródło sygnału pojemność 12 pF. Szybki prostokątny sygnał testowy można do wejścia wzmacniacza podać rezystorem ( z szeregowym kondensatorem odcinającym składową stałą) parędziesiąt kiloomów. Kabel oscyloskopu należy dołączyć do wyjścia wzmacniacza szeregowym rezystorem 75 Ohm lub użyć dobrej sondy pomiarowej 1:10. Autor nie dysponował wystarczająco szybkim generatorem i szerokopasmowym oscyloskopem. Podobny efekt jak przejście przez sygnał wzmacniacza daje obciążenie generatora z wyjściem 50 Ohm kondensatorem 120 pF z czego wniosek że czas narastania wzmacniacza może być około 5-6 ns.

Sygnał wyjściowy jest różnicowy ale szybkie komparatory mają z kolei wejście różnicowe i konfiguracja ta jest bardzo wygodna.

Tranzystory wejściowych wtórników pracując z prądem poniżej 0.7 mA mają Ft około 400 MHz a tranzystory w parze „różnicowej” przy optymalnym prądzie ponad 550 MHz. Przy równych opornikach sprzężenie zwrotnego stałe napięcie różnicowe DC na wyjściu ma wielkość kilku mV a więc jest małe. Celowo mocno rozrównoważając wzmacniacz ( lub w inny sposób podając mały zadany prąd stały do którego wejścia ) można ustalić próg działania „szybkiego” komparatora uA710. Przy symetrycznym podaniu niskoimpedancyjnych sygnałów do wejść komparatorów mają one najmniejsze skłonności do oscylacji co jest niebagatelną zaletą .

Transkon1111.gif

Faktycznie sygnał wzmacnia jedna połowa wzmacniacza a druga dostarcza napięcie stałe kompensujące dryft. Szumy można o ca 40% zmniejszyć bocznikując w drugim wzmacniaczu opornik sprzężenia zwrotnego kondensatorem i stosując pojemność kompensacyjną Millera w stopniu napięciowym.

W Polsce dostępne są fotopowielacze radzieckie o nazwie FEUXX oraz produkcji NRD.

Fotony światła ( statystycznie tylko co któryś foton ) wybijają elektrony z katody fotopowielacza. W kolejnych dynodach są one powielane. Wzmocnienie fotopowielacza bardzo szybko rośnie z napięciem zasilania. Im więcej stopni powielania – dynod ma fotopowielacz tym większe jest jego wzmocnienia.

Elementarny ładunek elektryczny czyli ładunek elektronu wynosi 1.602 C 10e-19. Jest okropnie mały. Załóżmy że nasz szybki wzmacniacz i komparator zarejestrują ładunek impulsu chmury powielonych elektronów 1 pC z fotopowielacza. W rzeczywistości wzmacniacz - komparator są znacznie czulsze. Szpilkę wyjściową z komparatora można wydłużyć układem czasowym TTL '121 lub '123 lub bramkami lub podać do liczników i tranzystorem wzmocnić trzaski dla głośnika.

Zatem aby zarejestrować pojedynczy elektron ( zależnie od długości fali „światła” potrzeba kilka fotonów na elektron) wzmocnienie fotopowielacza musi być 0.625 e7 raza a wiec ogromne ale jak najbardziej osiągalne. W rzeczywistości wystarczy wzmocnienie mniejsze od 1e6 raza. Mod pracy fotopowielacza z dużym wzmocnieniem zliczającego pojedyncze fotony które wybiły elektron nazywa się modem Geigera per analogia do licznika Geigera Millera.

Fotopowielacz był kompletnie zaciemniony w pudle w „ciemnym” pomieszczeniu piwnicznym. Podając regulowany prąd zaróweczce słyszymy nasilające się trzaski !

Fotopowielacz jest bardzo delikatny. W szczególności naświetlenie katody powoduje zwiększenie prądu ciemnego który dopiero stopniowo spada z czasem.

Taki wzmacniacz dobrze nadaje się do impulsowego dalmierza laserowego. Wzmocnienie fotopowielacza ( idea taka jak w radarze spełnia wzmacniacz logarytmiczny ) zwiększamy po emisji impulsu lasera szybko zmieniając napięcie tylko na ostatniej dynodzie co jest wystarczające. Dalmierz laserowy jest bardzo użyteczny w pracach infrastrukturalnych i wielkim budownictwie. Dalmierz laserowy sprzężony z celownikiem działa czołgu ogromnie podnosi celność dalekiego strzału nie dając przeciwnikowi żadnych szans na rewanż.

Współczesny fotopowielacz narodził się w koncernie RCA w 1934 roku. Także brytyjska firma EMI jest uznanym producentem fotopowielaczy. Nie wiadomo czy wszystkie ( jest ich wiele odmian do konkretnych zastosowań ) produkowane w ZSRR fotopowielacze FEUXX są odpowiednikami typów RCA i EMI.

Produkowany w NRD duży wymiarami fotopowielacz M12FC51 to wierna kopia EMI 9558B. Okno barosilikatowe, katoda typu S20 ( typizacja międzynarodowa katod ), 11 dynod z CaSb. Czułość obejmuje bliski ultrafiolet i światło widzialne. Doskonały do spektrofotometrów. Przy maksimum czułości 0.38 um ( tuż za światłem niebieskim ) sprawność kwantowa katody wynosi 0.22 elektrona na foton i 150 uA/Lm. Prąd ciemny odpowiada strumieniowi promieniowania o mocy poniżej 3.5e-14 Wata. Przy ochłodzeniu do temperatury -40C prąd ciemny spada 10 krotnie. Przy napięciu 1400V typowa czułość tego fotopowielacza wynosi 2000A/Lm czyli wzmocnienie kaskady dynod wynosi 1.33e7 razy. Maksymalne ale nie zalecane do długiego stosowania napięcie zasilania wynosi aż 2200V !

Czas narastania prądu wynosi tr=20ns. Nie jest to więc szybki fotopowielacz. Pojemność wyjściowa anody wynosi 8 pF.

Pomysł z wiernym kopiowaniem cudzych rozwiązań nie jest zły. W czasie opracowania kopii i uruchamiania jej produkcji, co może potrwać kilka lat, oryginał możemy użyć w opracowywanym równolegle prototypie. Produkcja przyrządu i urządzenia stosującego ten przyrząd odbędzie się jednocześnie.

Fotopowielacz jako lampa elektronowa jest przeżytkiem ale w niektórych zastosowaniach nadal nie ma konkurencji. Zasilacz impulsowy wysokiego napięcia do fotopowielacza ( ciekawy osobny temat ) jest stosunkowo tani. Gdyby pojawił się wcześniej z pewnością fotopowielacze zyskałyby znacznie większą popularność.

Fotopowielacz uchodzi za element dość drogi co głównie wynika z małych serii produkcyjnych i brak efektu skali który występował w wielkiej produkcji typowych lamp elektronowych.

Warto podkreślić że część sygnałów z fotopowielacza ale także fotodiody (lawinowej) można traktować jako mały, względnie powolny uśredniony prąd „stały” lub szybki sygnał impulsowy. Ilustruje to generalną prawidłowość zastosowań wzmacniaczy transkonduktancyjnych. Cała rodzina wzmacniaczy transkonduktancyjnych pokrywa ogromny zakres częstotliwości.

Bardzo mały prąd wyjściowy nawet rzędu pikoamperów mają sensory ogólnie nazywane sensorami elektrometrycznymi. To jest osobny szeroki temat.

We wzmacniaczach elektrometrycznych stosowano specjalne lampy elektrometryczne, później we wzmacniaczach z przetwarzaniem sygnału ( idea przetwarzania Goldberga z 1949 roku ) pojemnościowe modulatory mechaniczne i modulatory z diodami pojemnościowym. Wzmacniacze z tranzystorami JFet zdeklasowały te rozwiązania czyniąc je śmiesznymi anachronizmami. Jeszcze mniejsze prądy polaryzacji bramki mają tranzystory Mosfety ale mają potężne szumy napięciowe typu 1/F, które na pojemności sensora i rezystancji sprzężenia zwrotnego wzmacniacza są przetworzone w równoważny prąd szumów. Mosfety nie są generalnie stosowane we wzmacniaczu elektrometrycznym.

W transkonduktancyjnych wzmacniaczach elektrometrycznych wymagane są w sprzężeniu zwrotnym oporniki o wartościach nawet wielu gigaomów. Są one bardzo delikatne, drogie i trudno dostępne. Cena ich wynika przede wszystkim z małej skali produkcji.

Hewlett Packard w 1973 roku w chromatografie zastosował wzmacniacze logarytmiczne, transkonduktancyjne o znakomitych parametrach bez kłopotliwych rezystorów. Wzmacniacz z tranzystorem logarytmującym daje mniejsze dryfty i szumy niż rozwiązanie z rezystorem. Elektrometryczne wzmacniacze są w chromatografie HP szczelnie zamknięte w chłodzonych do temperatury 0C obudowach co zmniejsza i stabilizuje prąd upływu bramek JFetów ale także tranzystorów bipolarnych pracujących jako elementy logarytmujące.

W nowoczesnych badaniach i przemyśle chromatograf ma mnóstwo zastosowań.

W dziedzinie przyrządów pomiarowych światową konkurencje dla HP stanowi w zasadzie tylko Tektronix, również amerykański. Lepsze, wąsko specjalistyczne przyrządy są produkowane przez inne firmy tylko na indywidualne zamówienia. Ich cena jest kosmiczna.

Koncern Hewlett Packard ma własną fabrykę unikalnych półprzewodników. Jako jedyny oferuje zintegrowane wyświetlacze alfanumeryczne LED.

W bardzo szybkich transoptorach cyfrowych HP sygnał z fotodiody odbiorczej wzmacnia prosty wzmacniacz transkonduktancyjny ! Nie ma innego sposobu na osiągnięcie wymaganego pasma częstotliwości !