Снятие сигнала с ФЭУ, схема пред-усилителя для счета и интегрирования Опции

[Rockstein]

Не хочу раздувать уже создавшийся офф-топ, поэтому создаю эту тему.

Имеется ФЭУ от хамаматсу H7422-40 ( http://doc.chipfind.ru/pdf/hamamatsu/h7422.pdf ). Он имеет встоенный источник высокого напряжения и охлаждение на пельтье для понижения шума. Так же имеется защита при токе больше 6 мкА, хотя макс всего 2 мкА. Сигнал с анода выводится через BNC разъем.

Требуется сделать предусилитель с выходом для счетчика и интегрированного сигнала. Выкладываю схему своего варианта пред-усилителя на обсуждение.
 PMT_PreAmp.sch ( 337.11 килобайт ) Кол-во скачиваний: 1189

Формат eagle 5. Схема, конечно же, не идеальна. Выражаю благодарность jam за помощь и советы.

Собрал почти навесным монтажем на цельной плате и засунул с ВЧ-экранированную коробку. Разделительный кондер на входе, а так же диоды я не ставил. 1 Гигом разряжает входную емкость ФЭУ, так что никакого высокого там не натекает. Вообщем теперь о грустном. Входной каскад дает импульсы где-то 40нс на выходе, при том что на входе в среднем где-то 3-5 нс. Усиление можно и единичное сделать, сиграла там достаточно. Но почему-то с инвертирующим включением AD8014 не получается такой скорости, даже при Rg=Rf=1ком. В неинвертирующем включении, когда выход фэу на 50Ом зашунтирован и потом на вход AD8014 добиваюсь 5нс, но поясляется овершутинг, хотя выход через 50Ом на RG58 кабель и потом на осциллоскопе 50Ом терминатор. Подскажите как добится 5 нс. Может кто другой усилитель посоветует?

Еще одна проблема с интегратором. Так как AD8014 дает на выходе несколько мВ оффсет, напрямую интегратор входит в насыщение. Поэтому сначала обрезаю DC и пускаю только AC на интегратор. Но скважность импульсов настолько мала, что интегрированный сигнал просто тонет в шуме, который гже-то около двух мВ пик-пик. Много чего перепробовал, и сначала интегрировать на RC-цепочке, потом усилять и активный low-pass. Результат не утешительный. Зато если выход ФЭУ пустить на трансимпедансный усилетель на AD549, то интегрированный сигнал снимается прекрасно. Вот только нужно и считать и интегрировать.

Выглядел у америкосов следующий девайс Супер-пупер малошумящий усилитель заряда. Стоит ли под него копать?

[Rockstein]

Решил проблему следующим образом:
разделил сигнал прямо на входе (см. схему). Ну тоесть выход ФЭУ пустил на прямую на AD549 для интегрирования и через разделяющий кондер на AD8014 для снятия импульсов. Конечно это компромис. И если в ОС у интегратора будет большая емкость, то пульсы будут ей гасится. А если разделительный конденсатор портит возрастающий фронт, про спадающий я молчу, он и так растягиватся. Второй каскад на AD8014 вообще-то и не нужен, но все таки решил им дотянуть большие импульсы до 1В амплитуды макс.

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 PMT_PreAmp.sch ( 133.66 килобайт ) Кол-во скачиваний: 44

 

[jam]

Решил проблему следующим образом:
разделил сигнал прямо на входе (см. схему). Ну тоесть выход ФЭУ пустил на прямую на AD549 для интегрирования и через разделяющий кондер на AD8014 для снятия импульсов. Конечно это компромис. И если в ОС у интегратора будет большая емкость, то пульсы будут ей гасится. А если разделительный конденсатор портит возрастающий фронт, про спадающий я молчу, он и так растягиватся. Второй каскад на AD8014 вообще-то и не нужен, но все таки решил им дотянуть большие импульсы до 1В амплитуды макс.

Принимая во внимание большую ёмкость фэу , думаю , что схема правильная...многие уже хотели сделать такой гибрид - один канал на время, второй на амплитуду, но удачных реализаций пока не видел... Надеюсь, что Ваша удачная. На днях посмотрю на спайсе, что получилось... Если можно , пришлите выходной сигнал - если есть генератор с хорошими фронтами, то стоит подать на вход через 1пф....

[Rockstein]

Принимая во внимание большую ёмкость фэу , думаю , что схема правильная...многие уже хотели сделать такой гибрид - один канал на время, второй на амплитуду, но удачных реализаций пока не видел... Надеюсь, что Ваша удачная. На днях посмотрю на спайсе, что получилось... Если можно , пришлите выходной сигнал - если есть генератор с хорошими фронтами, то стоит подать на вход через 1пф....

Хорошо, попробую, у нас есть тектроникс осцилограф, туда можно усб флеш вставить. Сделаю пару скриншотов. К сожалению генератора с хорошими фронтами нет и не предвидится. Слышал, если транзистор пробивать, то фронты очень крутые. Видел где-то схему, основанную на этом эффекте.

Я тоже надеюсь, что мое решение удовлетворит. Но пока проблемы с линеакйностью при счете. Интегральный сигнал довольно неплохой, а вот считает хуже 4% линейность. даже до в диапазоне до 1 Килоимпульса. Грешу на компаратор и зависимость порога срабатывания от амплитуды и скважности импульсов. А какую вообще линейность стоит ожидать от фэу такого класса (н7422)?

Проблема с компаратором состоит в следующем, нужно опустить порог чуть выше уровня шума. Допустим 1мВ. А оффсет у AD8014 в данном включении составляет 20мВ. Чтобы убрать оффсет вставляю полосовой фильтр из rlc с плохой добротностью, чтоб без пика, где-то на 1-100Мгц. Уходит постояный оффсет, но появляются неприятные овершуты ниже нуля. И потом уровень медленно поднимается либо до нуля либо пока не прийдет следующий импульс. Вообще на сколько я понял высокоскоростные компараторы не отличаются точностью. Реально ли таким компаратором ловить пульсы по такому низкому порогу в 1мВ к земле, естессно питание биполярное (+-5В)

У меня пока стоит выбор между LT1719 и LT1016. Первый быстрее и есть возможность раздельного питания. Второй, вроде, по-медленнее и по прожерливее, но точнее. Что посоветуете?

Раздельное питание нужно только для согласования уровней с логикой или его можно еще и как развязку между грязным питанием логики и прецизионным аналоговым использовать? Ну тоесть чтобы возвратные токи из грязного питания не текли на чистую землю через вот такой вот компаратор.



@jam: А вы какой SPICE пользуетесь?
Я сейчас набросал схему в свежеустановленном мультисиме, все проблемы на лицо. Файлик мультисимовский прилагаю.
Длинный задний фронт никуда не деть. И откуда этот овершут ниже нуля берется. Если мелкий импульс прийдет, когда задний фронт большого еще не спал, то он останется незамеченным. Вообщем порог компаратора не имеет смысла делать меньше чем овершут. В моем случае около 50 мВ.

Странно, но я не смог загрузить файл с расширением ms10. Переименовал его в .sch. Просьба вернуть назад расширение .ms10

Прикрепленные файлы

 PMT_FrontEnd.rename_to_ms10.sch ( 158.08 килобайт ) Кол-во скачиваний: 47

 

[jam]

Хорошо, попробую, у нас есть тектроникс осцилограф, туда можно усб флеш вставить. Сделаю пару скриншотов. К сожалению генератора с хорошими фронтами нет и не предвидится. Слышал, если транзистор пробивать, то фронты очень крутые. Видел где-то схему, основанную на этом эффекте.

возмите ltc6903/04 - поделив 1ком\50ом на кабель - фронты крутые - частота по умолчанию 1кгц.

Я тоже надеюсь, что мое решение удовлетворит. Но пока проблемы с линеакйностью при счете. Интегральный сигнал довольно неплохой, а вот считает хуже 4% линейность. даже до в диапазоне до 1 Килоимпульса. Грешу на компаратор и зависимость порога срабатывания от амплитуды и скважности импульсов. А какую вообще линейность стоит ожидать от фэу такого класса (н7422)?

Чтобы ноль не уплывал , в анализаторах его восстанавливают - см. base line restorer. Но в данном случае можно обойтись просто большой ёмкостью, например 22uF*1ком обрежут Вам оффест , а выбросов больших не дадут. Линейность фэу зависит от его коэффициента усиления, чем больше - тем хуже, поэтому и рекомендовал Вам снизить коэффициет усиления, со всеми вытекающими проблемами. Говорят, что если запитать фэу от умножителя, то линейность улучшается, но сам не проверял.

Проблема с компаратором состоит в следующем, нужно опустить порог чуть выше уровня шума. Допустим 1мВ. А оффсет у AD8014 в данном включении составляет 20мВ. Чтобы убрать оффсет вставляю полосовой фильтр из rlc с плохой добротностью, чтоб без пика, где-то на 1-100Мгц. Уходит постояный оффсет, но появляются неприятные овершуты ниже нуля. И потом уровень медленно поднимается либо до нуля либо пока не прийдет следующий импульс. Вообще на сколько я понял высокоскоростные компараторы не отличаются точностью. Реально ли таким компаратором ловить пульсы по такому низкому порогу в 1мВ к земле, естессно питание биполярное (+-5В)
У меня пока стоит выбор между LT1719 и LT1016. Первый быстрее и есть возможность раздельного питания. Второй, вроде, по-медленнее и по прожерливее, но точнее. Что посоветуете?

lt1719 - впечатления хорошие, но пользую max9144, поскольку несколько миливольт для моих применений не критичны...

Раздельное питание нужно только для согласования уровней с логикой или его можно еще и как развязку между грязным питанием логики и прецизионным аналоговым использовать? Ну тоесть чтобы возвратные токи из грязного питания не текли на чистую землю через вот такой вот компаратор.

Раздельное питание использую всегда, поскольку не хочу полагаться на авось - в любом случае это не помешает, а может быть и критично.

@jam: А вы какой SPICE пользуетесь?
Я сейчас набросал схему в свежеустановленном мультисиме, все проблемы на лицо. Файлик мультисимовский прилагаю.
Длинный задний фронт никуда не деть. И откуда этот овершут ниже нуля берется. Если мелкий импульс прийдет, когда задний фронт большого еще не спал, то он останется незамеченным. Вообщем порог компаратора не имеет смысла делать меньше чем овершут. В моем случае около 50 мВ.

Странно, но я не смог загрузить файл с расширением ms10. Переименовал его в .sch. Просьба вернуть назад расширение .ms10

Пользую spb16.2. Длинный задний фронт подрезаете формирователем - для этого Вам надо посчитать Ваш rcl, можно сделать формирователь и на операционниках - тут простор открыт, главное, что бы он как можно меньше трогал нулевую линию - тут 4 варианта 1 base line restorer 2. опустить полосу почти до dc 3. Поставить очень быстрый ацп и обработать в цифре 4. Продиферинциировать гаусс до куска синуса и думать, что с этим делать.
З.Ы. Говорят что амптековский а250 изготавливает в России некий Громов, а америкосы только продают, не знаю правда или нет, но по корпусу похож на наш.

[Rockstein]

возмите ltc6903/04 - поделив 1ком\50ом на кабель - фронты крутые - частота по умолчанию 1кгц.

1нс на 5пф нагрузку довольно неплохо. Я правильно понимаю, 1ком последовательно выходу и сразу на BNC, а 50ом волновое сопротивление кабеля?

Чтобы ноль не уплывал , в анализаторах его восстанавливают - см. base line restorer. Но в данном случае можно обойтись просто большой ёмкостью, например 22uF*1ком обрежут Вам оффест , а выбросов больших не дадут.

Да, basr line restorer штука нужная, но в моем случае не нужно считать интеграл под импульсом, (ну тоесть заряд или энергию кванта). Мне б только чтобы дискриминировал стабильно. А в случае с CR 22uF*1kohm время восстановления зависит от амплитуды импульса.

Линейность фэу зависит от его коэффициента усиления, чем больше - тем хуже, поэтому и рекомендовал Вам снизить коэффициет усиления, со всеми вытекающими проблемами. Говорят, что если запитать фэу от умножителя, то линейность улучшается, но сам не проверял.

Так и сделал, но уперся рогами в слабый сигнал, который снять совсем не имеет возможности. Скорее всего мой ФЭУ со встроенным блоком питания и пельте не подходит. У него усиление 10^6, а если взять дискретный фэу то там уже 10^7. К тому же диаметр фотокатода 5мм в моем по сравнению с 8мм в другом (площадь больше чем в 2 раза). Зато надо городить огород с охлаждением и HV блоком питания.

Раздельное питание использую всегда, поскольку не хочу полагаться на авось - в любом случае это не помешает, а может быть и критично.

Уточню вопрос, не возникнут ли проблемы если чистое аналоговое и шумное цифровое сойдутся в LT1719. Я посмотрел его схему и фактического разделения не увидел. Мне кажется это только чтоб не делать level shift. Объясните.

Пользую spb16.2.

Ни разу не слышал. Отстал наверное от жизни

Длинный задний фронт подрезаете формирователем - для этого Вам надо посчитать Ваш rcl, можно сделать формирователь и на операционниках - тут простор открыт, главное, что бы он как можно меньше трогал нулевую линию - тут 4 варианта 1 base line restorer 2. опустить полосу почти до dc 3. Поставить очень быстрый ацп и обработать в цифре 4. Продиферинциировать гаусс до куска синуса и думать, что с этим делать.

Прошу прощения за ликбез
Пункт 2 не понял. Как расширение полосы уберет задний фронт?
Пункт 4 вообще не представляю. Гауссовское распределение чего? И как его дифференцировать
Чувствую прийдется жить с rlc и надеятся, что не прийдут два импульса рядом где второй сидит ниже из-за овершута первого и не пролазит через порог компаратора.

З.Ы. Говорят что амптековский а250 изготавливает в России некий Громов, а америкосы только продают, не знаю правда или нет, но по корпусу похож на наш.

В очередной раз радость берет за наших Не знаю почему я их так не люблю.

[jam]

Извините, я давно за собой заметил, что выражаюсь непонятно - так сказать половину пропустил, а думаю, что другим должно быть ясно....

1нс на 5пф нагрузку довольно неплохо. Я правильно понимаю, 1ком последовательно выходу и сразу на BNC, а 50ом волновое сопротивление кабеля?

Конечно ещё нужно 51 ом на землю, т.е впараллель кабелю - получится согласованный делитель.

Да, basr line restorer штука нужная, но в моем случае не нужно считать интеграл под импульсом, (ну тоесть заряд или энергию кванта). Мне б только чтобы дискриминировал стабильно. А в случае с CR 22uF*1kohm время восстановления зависит от амплитуды импульса.

Хотел сказать , что при помощи формирователя можно подрезать задний фронт, но чтобы нулевая линия плавала поменьше, остальные каскады должны быть связаны через rc с очень низкой полосой среза - тогда выбросы будут минимальны при достаточно простой схеме.

Так и сделал, но уперся рогами в слабый сигнал, который снять совсем не имеет возможности. Скорее всего мой ФЭУ со встроенным блоком питания и пельте не подходит. У него усиление 10^6, а если взять дискретный фэу то там уже 10^7. К тому же диаметр фотокатода 5мм в моем по сравнению с 8мм в другом (площадь больше чем в 2 раза). Зато надо городить огород с охлаждением и HV блоком питания.

Увы , для быстрых сигналов ничего лучше чем ad8014 ad8005 не нашёл - впрочем искал не долго, лежат ещё усилители от оптики на полке - но до них дело пока не дошло. Есть усилитель на рассыпухе (bfg620), но тоже с фэу не проверялся... Занят пока сигналами более медленными... Диаметр фотокатода - это важно в плане светосбора, ну это вобщем и так понятно.

Уточню вопрос, не возникнут ли проблемы если чистое аналоговое и шумное цифровое сойдутся в LT1719. Я посмотрел его схему и фактического разделения не увидел. Мне кажется это только чтоб не делать level shift. Объясните.

Вполне возможно , что возникнут - надо разделить аналоговую и цифровую земли резистором 10 ом или дросселем или и тем и другим или короткой перемычкой - но заливку земли сделать отдельную. Да смотрите ещё linear продаёт их в разных корпусах - cs6 cs8 - на деле совершенно разные микросхемы, хотя может внутри у них одно и тоже ....

Ни разу не слышал. Отстал наверное от жизни

Это cadence - capture и pspice как в orcadе.

Прошу прощения за ликбез
Пункт 2 не понял. Как расширение полосы уберет задний фронт?
Пункт 4 вообще не представляю. Гауссовское распределение чего? И как его дифференцировать
Чувствую прийдется жить с rlc и надеятся, что не прийдут два импульса рядом где второй сидит ниже из-за овершута первого и не пролазит через порог компаратора.

Пункт 2 пытался объяснить выше - извините за непонятки.
Пункт 4 - это надо сначала получить гаусс , а потом ещё раз продифференциировать, тогда уход базовой линии прекратится... Но это я только собираюсь попробывать - обдумываю , как это лучше сделать.

В очередной раз радость берет за наших Не знаю почему я их так не люблю.

Есть за что не любить... Я тоже почти 10 лет в Германии прожил - но у Вас там мне было скучно... как-то всё совсем чужое.

[Rockstein]

Хотел сказать , что при помощи формирователя можно подрезать задний фронт, но чтобы нулевая линия плавала поменьше, остальные каскады должны быть связаны через rc с очень низкой полосой среза - тогда выбросы будут минимальны при достаточно простой схеме.

Про низкую полосу среза не могу согласиться. Если ставлю CR цепочку с большим С линия пляшет в зависимости от загрузки ФЭУ и амплитуды. Нужно что-то типа Pole-Zero компенсатор.
Я прикинул и пришел к выводу. Ведь если мне в дискриминаторе особо точной привязки по времени не надо, и энергию импульса измерять не требуется, и загрузка данного феу не большая (до 10 Килокаунтов) единственное что нужно четкое ограничение по амплитуде, то .... на кой мне формирователь, пусть висят хвосты, главное чтобы последующие импульсы садились не на танцующую линию.

Можно ли только Pole-Zero компенсацией добиться четкой линии или Pole-Zero зависит от сигнала?
Идея с base line restorer неплохая, чтобы CR дифференциатор включать на время. Пока непонятно чем кроме микроконтроллера или DSP можно управлять ключем включения дифференциатора. Уж очень не хочется огород городить без надобности.

Вполне возможно , что возникнут - надо разделить аналоговую и цифровую земли резистором 10 ом или дросселем или и тем и другим или короткой перемычкой - но заливку земли сделать отдельную. Да смотрите ещё linear продаёт их в разных корпусах - cs6 cs8 - на деле совершенно разные микросхемы, хотя может внутри у них одно и тоже ....

На счет земли... говорят новая мода пошла, земляной полигон на все земли одним общим делать, а только полигоны питания раздельно и очень следить, чтобы синалы одной цепи не заходили в другую. ВЧ возвратные токи все равно от дорожки далеко не убегут, если правильно все сделать, то цифровые вч токи не потекут через аналоговый участок. Но буду делать как Вы говорите, две земли и соединю либо перемычкой у разьема питания либо еще чем.

Чтобы разделить цепи полностью хочу выход компаратора (запитаного аналогом) пустить на ADUM1100 изолятор а уже с другой стороны запускать моностабильный мультивибратор запитаный цифровым. Вроде бы у АДУМ1100 есть шмиттриггер на входе. Будет ли это работать?

Навскидку видно, что интегратор может временно смещаться от нулевой линии до 40 mV при регистрации импульсов большой амплитуды. Соответственно, в это время регистрация импульсов малой амплитуды происходить не будет. Чтобы уменьшить этот эффект можно поступать разными способами. Например, ограничивать максимальную амплитуду, поступающую на интегратор. Другой вариант - делать интегратор по типу устройства выборки-хранения, а во время срабатывания дискриминатора отключать ему вход.

Немного не понял. Почему импульсы малой амплитуды проходить не будут. Они очень хорошо накапливаются в емкости. Уточню, что 40мВ это при загрузке около 4 килокаунтов. Заряд и маленьких и больших накапливается в конденсаторе по моему мнению, про такие грабли не слышал.