Tiểu luận: Xóa điện tích cho tụ Cf bằng liên kết tranzitor potx

GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA TÀI ĐỀ XÓA ĐIỆN TÍCH CHO TỤ C F BẰNG LIÊN KẾT TRANZITOR Giáo viên th c hi nự ệ : Ts Nguy n c Hòaễ Đứ Sinh viên th c hi nự ệ : - 1 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA - 2 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA ĐẶT VẤN ĐỀ Như chúng ta thấy trong thời đại phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, vấn đề năng lượng là vấn đề gây rất nhiều khó khăn cho các nhà quản lý và cũng đặt ra nhiều yêu cầu cho các nhà nghiên cứu. Các nguồn năng lượng cơ bản mà chúng ta sử dụng lâu nay là than đá, dầu mỏ, khí đốt,… ngày càng cạn kiệt. Do đó xu thế tất yếu là phải tìm kiếm và nghiên cứu nguồn năng lượng mới, đó là năng lượng hạt nhân.Vì vậy việc đào tạo, học tập, nghiên cứu về lĩnh vực hạt nhân là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Với môn Điện tử hạt nhân cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về các mạch điện tử để đo các đại lượng liên quan đến hạt nhân. Để đo, đếm, xác định giá trị các đại lượng liên quan tới bức xạ hạt nhân ta sử dụng một hệ thống các khối chức năng gọi là hệ thống điện tử hạt nhân.Trong hạt nhân các bức xạ được biến đổi thông qua một bộ phận được gọi là detector. Khi sử dụng detector để thu nhận các bức xạ thì detector chủ yếu thu nhận các tín hiệu không điện,do đó detector phải biến các tín hiệu đó thành các tín hiệu điện.Sau đó ta cần phải khuếch đại các tín hiệu đó lên bằng tiền khuếch đại để xử lí.Nhưng trong khi khuếch đại có một hiện tượng là tụ C f làm bão hòa lối ra,do đó ta phải xóa điện tích cho tụ C f để chống bão hòa lối ra. Trong khuôn khổ của bài tiểu luận này, chúng em xin chọn đề tài ‘‘xóa điện tích cho tụ C f bằng liên kết tranzitor’’.Nhằm trình bày vấn đề chung của khối điện tử hạt nhân,sau đó trình bày sơ đồ,nguyên lí làm việc giản đồi xung khi sử dụng phương pháp xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor để chống bão hòa lối ra của tiền khuếch đại. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do còn nhiều hạn chế về mặt tiếp cận công nghệ, về tài liệu tham khảo và thời gian nghiên cứu nên bài viết chắc không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự góp ý nhiệt tình của quí thầy cô và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn. - 3 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor Hình thành xung Xử lí xung Khu ế ch đạ i xung Biến đổi ADC MCD Máy tính GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA NỘI DUNG I.HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ HẠT NHÂN Các đại lượng đo trong vật lí hạt nhân gắn liền với phép đo hạt nhân đều ở dạng không điện .Vì thế các phương pháp nghi nhận bức xạ phát ra từ hạt nhân đặc trưng đều dựa vào các tương tác bức xạ đi qua vật chất.Dụng cụ làm nhiệm vụ biến đổi các bức xạ thành tín hiệu điện có nhiều tên gọi như đầu dò,ống điếm,detector… Các hệ thống điện tử hạt nhân là hệ thống các khối chức năng nhằm đo đếm, xác định trị các đại lượng liên quan tới bức xạ của hạt nhân. Do các đại lượng trong vật lý hạt nhân gắn liền với phép đo hạt nhân đều ở dạng không điện nên phải biến đổi thành các đại lượng điện. Sơ đồ tổng quát của một khối điện tử hạt nhân như sau: Hình 1: Hệ thống đo bức xạ hạt nhân Trong điện tử hạt nhân, các bức xạ hạt nhân được biến đổi thông qua một bộ phận gọi là detector. Detector thường được đặt xa nơi đo để tránh nguy hiểm của bức xạ hạt nhân. Do các tín hiệu điện sau detector thường có biên độ là nhỏ và tần số cao,do đó để truyền tín hiệu đi xa người ta thường phải ghép nối giữa detector với bộ khuếch đại một khối tiền khuếch đại. Sơ đồ tổng quát của một khối đo như sau: - 4 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Hình 2. Hệ thống đo bức xạ hạt nhân ghép tiền khuếch đại. Sơ lược quá trình hoạt động: Các nguồn phóng xạ (kể cả bức xạ phông cũng coi như là một nguồn phóng xạ tự nhiên) tạo ra bức xạ hạt nhân, được detector thu nhận và biến thành xung điện, được nhân lên nhiều lần trước khi đi đến bộ phận khuếch đại phổ kế (Amp,Amplifier). Qua khuếch đại, tín hiệu khuếch đại đủ lớn về biên độ, hình thành xung chuẩn, và như vậy tín hiệu lối ra của khối khuếch đại phổ kế vẫn ở dạng tương tự sẽ cung cấp cho ADC. ADC (Analog to Digital Convertor) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số với những điều kiện về biên độ và thời gian định trước gọi là ngưỡng, đồng thời truyền tải tín hiệu qua khối MCD (Multi Channel Data processing). MCD có nhiệm vụ ghi lại sự kiện mà ADC cung cấp vào bộ nhớ RAM của mình, đồng thời đưa tín hiệu vừa ghi lại qua máy tính để máy tính làm nhiệm vụ xử lý và hiển thị lên màn hình theo một số thông số mà người lập trình muốn đưa vào (như thời gian phân giải, năng lượng, cường độ…). Kết quả hiển thị sẽ cho ta rất nhiều thông tin về nguồn phóng xạ cần đo, từ đó có thể tiến hành phân tích các kết quả để đi đến mục đích sử dụng khác nhau. II.TIỀN KHUẾCH ĐẠI 1.Khái niệm tiền khuếch đại Tiền khuếch đại là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ, nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu lấy từ lối ra của detector. - 5 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Trên quan niệm khuếch đại xung điện, thì người ta thường chia bộ khuếch đại làm hai phần: Khuếch đại sơ bộ ( tiền khuếch đại) và khuếch đại cơ bản. Tiền khuếch đại thường đặt gần các detector với mục đích làm giảm điện dung ký sinh, mà các điện dung kí sinh này có thể làm tồi thời gian tăng cũng như làm suy giảm biên độ tín hiệu hiệu dụng. Đồng thời với cách ghép nối này cho phép nâng cao tỉ số S/N. Tiền khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại và biến đổi các dạng tín hiệu điện ở lối ra detector thành điện áp.Vì bộ khuếch đại cơ bản thường là các bộ khuếch đại điện áp. Đồng thời nó cũng là tầng phối hợp trở kháng giữa detector và cáp đồng trục nối ghép với khuếch đại cơ bản. Vì khuếch đại cơ bản thường đặt xa với tiền khuếch đại. Thông thường thì trở kháng của detector là cao trong lúc cáp có trở kháng thấp. Với mục đích như đã nêu trên tiền khuếch đại phải đảm bảo thực hiện được các chức năng sau: + Biến đổi các dạng xung điện trên lối ra detector thành điện thế. + Hình thành xung. + Khuếch đại xung. + Đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N là lớn nhất. + Đảm bảo tốt việc phối hợp trở kháng. Khối tiền khuếch đại thường đặt cạnh detector với mục đích: + Giảm điện dung ký sinh lối vào tiền khuếch đại. + Các tín hiệu sau detector là nhỏ, không thể truyền đi xa, do đó cần phải khuếch đại tín hiệu để truyền đến nơi đó. Như vậy, tiền khuếch đại là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ làm nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu lấy từ lối ra của detector và đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N là lớn nhất, cũng như đảm bảo tốt vấn đề phối hợp trở kháng với mạch khuếch đại. - 6 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA 2.Phân loại tiền khuếch đại Để phân loại tiền khuếch đại người ta thường dựa vào chức năng thứ nhất (chức năng biến đổi các dạng xung điện trên lối ra detector thành điện thế) để phân loại, thường có 3 dạng sau: + Nhạy điện thế. + Nhạy điện tích + Nhạy dòng điện a. Tiền khuếch đại nhạy dòng điện Trên thực tế các bộ tiền khuếch đại nhạy dòng điện được sử dụng với các nguồn tín hiệu có trở kháng thấp, vì thế nó hoàn toàn không được sử dụng trong hệ thống ghi bức xạ, vì các detector thường có trở kháng cao b. Khuếch đại nhạy điện thế Các bộ tiền khuếch đại nhạy điện thế thường được sử dụng trong trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller vì có điện áp ra V 0 = Q/C đủ lớn, với C t là điện dung tổng cộng có mặt ở lối vào của tiền khuếch đại. Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện thế được mô tả trên hình 3. Hình 3: sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện thế - 7 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Biên độ xung ra của tiền khuếch đại nhạy điện áp : U 0 = C Q 2 1 R R Như vậy biên độ xung ra của tiền khuếch đại nhạy điện áp phụ thuộc vào điện dung C toàn phần của mạch. Mà điện dung của detector là không ổn định trong thời gian làm việc, do đó biên độ xung ra cũng không ổn định. Đây chính là môt nhược điểm lớn của loại tiền khuếch đại này. c. Tiền khuếch đại nhạy điện tích Để khắc phục nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy điện thế ta sử dụng loại tiền khuếch đại nhạy điện tích. Sơ đồ khuếch đại nhạy điện tích được mô tả trên hình 4. Hình 4: sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện tích Với tiền khuếch đại nhạy điện tích điện áp lối ra: Vo= -Q/C t . Với cách mắc này cho thấy điện áp lối ra không còn phụ thuộc vào điện dung của detector. Trên thực tế TKĐ nhạy điện tích được thiết kế trên Transistor hoặc lối vào. TKĐ với transistor lối vào có tạp âm là cao, nhược điểm này sẽ được khắc phục khi sử dụng FET ở lối vào đặc biệt với cách mắc cascade, ngoài ra FET hoạt động trên cơ sở điều khiển thế cho nên với các detector cho dòng ra bé thì TKĐ càng trở nên tối ưu hơn. Mạch TKĐ trong thực tế luôn mắc thêm điện trở R f //C f với mục đích: - Cấp đường DC đối với dòng thiên áp lối vào cho tiền khuếch đại. - 8 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA - Tạo đường phóng cho tụ C f trong quá trình tích phóng, để đảm bảo tránh sự bảo hòa ở lối ra của TKĐ. III.CÁC SƠ ĐỒ LIÊN KẾT GIỮA DETECTOR VÀ TIỀN KHUYẾCH ĐẠI 1. Liên kết tiền khuếch đại và buồng iôn hóa Trong buồng iôn hóa,các hạt tải điện được tạo ra cỡ 3000e hoặc điện tích bằng 5.10 -15 c/1Mev năng lượng mất.Khi điện dung của mạch vi phân C = 20nF cho ra một xung với biên độ 0,25 mV/Mev. Vì thế xung này cần đượ khuếch đại lên.Tạp âm của các sơ đồi khuyếch đại sẽ được hạn chế độ phân giải năng lượng hoặc độ nhạy của hệ thống. Xung điện áp được thu nhận trên tụ C sẽ được khuếch đại lên.Điện dung C là điện dung toàn phần của mạch ra buồng ion hóa (bao gồm điện dung của buồng iôn hóa + cáp + điện dung ghép nối buồng với tiền khuếch đại và điện dung mạch vào của tiền khuếch đại).Sự khuếch đại ổn định nhờ vào liên kết ngược,mà liên kêt bao gồm bộ chia áp R 1 ,R 2 .Hệ số khuyếch đại bằng R 1 /R 2 khi R 1 >> R 2 và A.R 2 >> R 1 .Thông thường lựa chọn RC >> T e (hoặc RC >> T 1 đối với buồng ion hóa có lưới).Khi đó cho ta tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) là tốt nhất.Nếu trong các bộ khuyếch đại,với hai mạch vi phân có thể sử dụng việc lựa chọn đối với mạch vi phân thứ nhất có hằng số thời gian RC ~ T e . Hình 5 : Sơ đồ TKĐ nhạy điện thế Hình 6: Sơ đồ TKĐ nhạy điện tích - 9 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Bộ xung ra của tiền khuyếch đại nhạy điện áp U 0 = 2 1 R R C Q . Với tiền khuyếch đại nhạy điện tích biên độ xung ra U 0 = f C Q khi A → ∞ mà không phụ thuộc vào C cũng như các yếu tố khác cơ cấu trên mạch.Đó chính là ưu điểm của bộ khuếch đại nhạy điện tích.Bộ khuyếch đại cũng đặc biệt quan trọng đối với detector bán dẫn . 2.Liên kết tiền khuyếch đại và ống điếm tỉ lệ . Đối với ống điếm tỉ lệ để đảm bảo chế độ tỷ lệ điện tích toàn phần của xung điện từ ống đếm nhỏ hơn giá trị tới hạn Q 1 = 10 -13 đến 10 -12 .Bởi vậy biên độ cực đại xung điện khi điện dung là cỡ 10 nF là 10 đến 100 mv. Xung này không cần phải khuyếch đại lên.Cần phải lưu ý rằng,biên độ này có mức lớn hơn mức tạp âm của các thiết bị và thường thì tạp âm đó thường thì không có bất kỳ khả năng loại bỏ.Vì lẽ đó đối với buồng ion hóa,điện dung C vào thường là ổn định nên cho phép sử dụng tiền khuyếch đại nhạy điện áp.Để mức ổn định cao hơn,đặc biệt khi M ≈ 100 hoặc bé hơn thì phải tổ chức các bộ tiền khuyếch đại với mức tạp âm bé và nhạy với điện tích. Hình 7 : Sơ đồ TKĐ nối ghép với Ống đếm tỷ lệ - 10 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor [...]... trên cho nên trong thực tế người ta thường ít sử dụng 2 Phương pháp xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor Phương pháp xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor có sơ đồ nguyên lý được chỉ ra như hình 9 Xóa điện tích cho tụ bằng trazitor PNP nên detector được nối theo hướng cao thế bình thường ( - UH) Nếu phân cực det là ngược thì phải dùng NPN - 16 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor. .. pháp thay thế cho Rf trong việc chống bão hòa V.CHỐNG BÃO HÒA LỐI RA CỦA TIỀN KHUẾCH ĐẠI 1 Phương pháp xóa điện tích cho tụ C f bằng liên kết quang Sơ đồ tiền khuếch đại với phương pháp phóng điện cho tụ C f bằng liên kết quang được chỉ ra trên hình vẽ Khi điện áp trên lối ra sẽ tăng dần mức DC do quá trình tích tụ điện tích trên tụ C f sau một lần xung truyền qua tiền khuếc đại Cho đến khi điện áp lối... 2 ,cho đến đủ dể T2 dẫn .Tụ Cf phóng điện nhanh bởi dòng IRS với thời gian V0 T RS = CRS I RS V0 : Là điện áp lối ra của tiền khuếch đại Giản đồ xung được trình bày ở hình 12 Giới hạn trên - 17 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Xung lối ra Xung dòng Xung cấm Pha đếm Pha xóa tín hiệu tín hiệu Hình 15: Giản đồ xung của phương pháp xoá điện tích cho tụ C f bằng liên kết. .. dựng cách xáo điện tích cho tụ Cf để chống bão hòa lối ra bằng liên kết tranzitor - 18 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Sĩ Hiền, Giáo trình điện tử hạt nhân, Đại học Đà Lạt 1999 [2] Nguyễn Đức Hòa, Giáo trình điện tử hạt nhân, Đại học Đà Lạt 2005 [3] Trần Thanh Minh, Phương pháp thực nghiệm hạt nhân, [4] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, Nxb... Trần Thanh Minh, Phương pháp thực nghiệm hạt nhân, [4] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, Nxb giáo dục 2005.Đại học Đà Lạt 1979 - 19 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA [5] Phạm Minh Hà, Kĩ thuật mạch điện tử - 20 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor ... khuếc đại Cho đến khi điện áp lối ra tăng đến mức điện áp đủ để D 1 dẫn, ánh sáng được truyền đến D 2, D2 dẫn cho phép tụ Cf xả điện qua D2 để thiết lập trạng thái ban đầu - 14 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Hình 12: Tiền khuếch đại với liên kết quang Với sơ đồ này có nhược điểm chính là quá trình phóng điện của tụ không ổn định, vì nó hoạt động vào D 1, D2 Mức... được chuyển đến tiếp giáp G-D của FET ,cho phép nối tắt nối tiếp giáp ,tụ C f sẽ phóng điện qua tiếp giáp này Mức DC điện áp lối ra sẽ giảm đến ngưỡng V Ref thì chuyển tạng thái ra của các bộ so sánh và trigger RS về trạng thái ban đầu - 15 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Hình 13: Xóa tụ Cf bằng liên kết quang Với cách mắc như hình vẽ 8 có các hạn chế sau: + Khi sử dụng... HÒA Hình14 : Xóa điện tích cho tụ C f bằng tranzitor Nguyên lý hoạt động của TKĐ xóa xung có thể chia làm pha đếm và pha xóa ngắn.Trong pha đếm tín hiệu và dòng ra của det làm tăng điện áp lối ra của tiền khuếch đại Khi đó bộ xóa tạo nên dòng I 1 (I1> IRS ) đủ làm cấm T 2.Khi điện thế trên mức ra đạt mức xác định thì hệ thống chuyển sang giai đoạn xóa. Dòng I 1 bị cấm,dòng IRS chạy vào tụ CRSlàm tăng... nháy - 11 Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA Trong detector nhấp nháy biên độ xung của tín hiệu thường có giá trị lớn hơn mức tạp âm của tiền khuyếch đại.Bởi vậy các tiền khuyếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter.Trên hình vẽ là nguyên lý mạch ra của bộ nhân quang điện Hình 9: Sơ đồ TKĐ nối với detector nhấp nháy Nếu điện thế catod bằng đất,thì tất cả điện áp ra... cao thế U H cho ống đếm tỷ lệ 3 .Liên kết tiền khuyếch đại và detector bán dẫn Trong detector bán dẫn tụ điện tiếp xúc C d phụ thuộc vào áp công tác U hvà không thể coi nó là hằng số,ngay cả khi U h là ổn định.Bởi vậy để tích phân xung dòng cần phải sử dụng các bộ khuyếch đại nhạy điện tích. Hằng số thời gian mạch vào: T 0 = (R // ri)Cn Hình 8 : Sơ đồ TKĐ nối ghép với detector bán dẫn 4 .Liên kết tiền khuyếch . Với hạn chế trên cho nên trong thực tế người ta thường ít sử dụng 2 .Phương pháp xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor Phương pháp xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor có sơ đồ. ĐỨC HÒA TÀI ĐỀ XÓA ĐIỆN TÍCH CHO TỤ C F BẰNG LIÊN KẾT TRANZITOR Giáo viên th c hi nự ệ : Ts Nguy n c Hòaễ Đứ Sinh viên th c hi nự ệ : - 1 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN. trọng nhất là xây dựng cách xáo điện tích cho tụ C f để chống bão hòa lối ra bằng liên kết tranzitor. - 18 - Xóa điện tích cho tụ bằng liên kết tranzitor GVHD:TS.NGUYỄN ĐỨC HÒA TÀI