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Dokumentenidentifikation DE202007014661U1 17.01.2008
Titel Schaltungsanordnung zur Ankopplung von bipolaren Impulsen an einen Komparator
Anmelder Berthold Technologies GmbH & Co. KG, 75323 Bad Wildbad, DE
Vertreter Mayer, Frank und Schön, 75173 Pforzheim
DE-Aktenzeichen 202007014661
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 17.01.2008
Registration date 13.12.2007
Application date from patent application 19.10.2007
IPC-Hauptklasse H03K 5/08(2006.01)A, F, I, 20071019, B, H, DE

Beschreibung[de]
Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ankopplung von bipolaren Impulsen an einem Komparator.

Bei der Auswertung von analogen Signalpulsen am Ausgang von Strahlungsdetektoren ist eine elektronische Pulsformung des Ausgangssignals des Strahlungsdetektors unabdingbar.

Zur nachfolgenden Auswertung der Zählimpulse werden oft Komparatoren eingesetzt, die die Analogimpulse gegen ein konstantes Referenzpotenzial VREF vergleichen (z.B. Single Channel Diskriminator). Ist eine hohe Verstärkung der Spannungspulse in einer dem Strahlungsdetektor nachgeschalteten Elektronik erforderlich, werden auch eventuell vorhandene Gleichspannungsanteile verstärkt und führen zum sogenannten base-line-shift oder DC-offset. Die Genauigkeit und Langzeitstabilität von Strahlungsdetektoren hängt zudem wesentlich von der Pulsformung in der nachgeschalteten Elektronik ab. Durch starke Temperatur- oder Zählratenänderungen addieren sich ebenfalls oft derartige unerwünschte Gleichspannungsanteile zum eigentlichen Spannungsimpuls.

Solche DC-offsets reduzieren die Genauigkeit, mit der die Pulshöhe bestimmt werden kann und damit auch daraus abgeleitete Größen wie Zählrate oder Strahlungsenergie. Die genaue Erkennung der Strahlungsenergie kann bspw. bei Messgeräten im Strahlenschutz zur Erkennung bestimmter radioaktiver Isotope benutzt werden.

Besonders kritisch erweist sich, dass diese Offsets oft auch von der Temperatur und Zählrate abhängen und eine hohe Bauteilvariabilität aufweisen.

Stand der Technik

Um das Entstehen von DC-Offsets zu verhindern, wird der analoge Spannungspuls des Strahlungsdetektors SD meistens über einen AC-Kopplungskreis ACK auf den Eingang des Komparators KOMP gelegt, d.h. über entsprechend dimensionierte RC-Komponenten des Kopplungskreises werden die Gleichspannungsanteile abgetrennt (1).

Da an dieser Stelle keine weitere Pulsformung des Ausgangssignals des Strahlungsdetektors mehr beabsichtigt ist, muss die Zeitkonstante t der AC Kopplung (t = R·C) ausreichend groß gewählt werden, um Signalverzerrungen zu vermeiden. Zudem muss sichergestellt sein, dass die vorhergehende Pulsformung des Ausgangssignals des Strahlungsdetektors bipolare Pulse mit möglichst gleichen positiven und negativen Flächeninhalten erzeugt. Dies wird besonders bei großen Zählraten wichtig, da sonst durch die nachfolgende AC-Kopplung wieder ein ratenabhängiger DC-offset eingeführt würde.

Der Analogpuls wird anschließend an die AC-Kopplung typischerweise direkt an einen Signaleingang OPS des Komparators KOMP gelegt, der zweite Eingang OPR liegt auf einem konstanten Referenzpotenzial VREF.

Die für die AC-Kopplung benötigten großen Zeitkonstanten t = R·C (typische Anwendungen t∼1 ms) wird durch die Verfügbarkeit von temperaturstabilen Kondensatoren (max. C∼1 &mgr;F) auf die Wahl von Widerständen im k&OHgr;-Bereich eingeschränkt.

In der Regel erzeugen Komparatoren aber ihrerseits einen Rückstrom IBACK am Signaleingang OPS (typ.∼10&mgr;A). Dieser Rückstrom IBACK ist sowohl bauteil- als auch temperaturabhängig und erzeugt über den Widerstand R der AC Kopplung wiederum einen Spannungsabfall und damit einen oft nicht zu vernachlässigenden DC-offset am Signaleingang OPS.

In einem typischen Dimensionierungsbeispiel mit R = 1 k&OHgr; und IBACK = 10 &mgr;A beträgt der DC-offset schon 10 mV (zum Vergleich: eine typische Referenzspannung wäre VREF = 50 mV) und kann daher eine Verfälschung des Messergebnisses in erheblichem Umfang verursachen; die gewünschte Reduzierung von DC-offsets wird durch eine AC-Kopplung alleine folglich nicht zufriedenstellend erreicht.

Beschreibung der Erfindung

Ziel dieser Erfindung ist es, die Ankopplung der analogen Ausgangsimpulse eines Detektors an eine Komparatorschaltung so zu realisieren, dass Gleichspannungsanteile (DC-offsets), die eine Verfälschung des Messergebnisses bewirken können, auf ein Minimum reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Einfügung eines Impedanzwandlers zwischen dem AC-Kopplungskreis und dem Signaleingang des Komparators. Der Ausgang des Impedanzwandlers ist sehr niederohmig (bis zu 10 Ohm) gewählt, so dass sich ein Rückstrom IBACK nicht mehr als Gleichspannungsänderung (DC-offset) auswirken kann.

Der vom Impedanzwandler selbst erzeugte DC-offset am Komparatorausgang (typ. 1 &mgr;V bei Präzisions-Operationsverstärkern) kann bei einem Verstärkungsfaktor V des Impedanzwandlers nahe 1 vernachlässigt werden.

Typische schnelle Operationsverstärker für diesen Einsatzbereich mit rail-to-rail Ausgang haben keinen rail-to-rail Eingang und weisen daher am Eingang einen kleineren Dynamikbereich auf (kein rail-to-rail Eingang, typ. Faktor 2 kleiner). Dadurch würde der Impedanzwandler den Aussteuerbereich der gesamten Schaltung begrenzen. Um dies zu verhindern, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Impedanzwandler durch Einsatz eines Operationsverstärkers mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor von vorzugsweise 2–3 ausgelegt werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nun anhand der 2 erläutert:

Die pulsgeformten (flächengleiche positive und negative Signalanteile) analogen Signale vom Strahlungsdetektor SD gelangen über einen AC-Kopplungskreis ACK mit Kondensator C und Widerstand R an den Signaleingang OPS des Komparators KOMP, an dessen Referenzeingang OPR ein Referenzpotential VREF angelegt ist.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem AC-Kopplungskreis ACK und dem Komparator KOMP ein Operationsverstärker OPB als Impedanzwandler IWV mit einem Verstärkungsfaktor von V = 2 geschaltet, an dessen Referenzeingang OPER das pulsgeformte analoge Signal des Detektors anliegt, und dessen Signalausgang SA über einen Rückkopplungswiderstand RK an den Signaleingang OPBS geführt ist.

Über einen Widerstand RE liegt der Signaleingang OPBS an Nullpotential. Das Verhältnis RE/RK definiert den Verstärkungsfaktor des Impedanzwandlers IWV.

Bei Werten C = 1&mgr;F, R = 1 k&OHgr;, RK = 1 k&OHgr; und RE = 500 &OHgr; arbeitet der Operationsverstärker OPR mit einem Verstärkungsfaktor V von 2 bei einem Ausgangswiderstand von ca. 10 Ohm. Als typischer Operationsverstärker kann ein von der Firma Linear Technology unter der Typbezeichnung LT 1362 verwendeter Operationsverstärker verwendet werden.

Der niederohmige Ausgang (bis zu 10 Ohm) des Operationsverstärkers OPB bewirkt, dass durch den Rückstrom Iback nur ein vernachlässigbar kleiner Spannungsabfall von maximal 100 &mgr;V (=10 Ohm × 10 &mgr;A) entsteht, d.h., der Arbeitspunkt des Komparators KOMP im nicht durch den Strahlungsdetektor SD angesteuerten Zustand ist auf dem Nullpotential stabil.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zur Ankopplung von bipolaren Impulsen insbesondere eines Strahlungsdetektors, über einen AC-Kopplungskreis an einen Komparator, an dessen Signaleingang das zu verarbeitende analoge Signal anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem AC-Kopplungskreis (ACK) und dem Signaleingang (OPS) des Komparators (KOMP) ein Impedanzwandler (IWV) mit niederohmigem Ausgang geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwandler (IWV) einen Operationsverstärker (OPB) beinhaltet. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwandler (IWV) einen Verstärkungsfaktor V von 2–3 aufweist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwandler (IWV) einen Ausgangswiderstand von bis zu 10 Ohm aufweist.






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