Современная электроника №1/2020

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2020 Малошумящие источники высокого напряжения для чувствительных фотодетекторов Рис.1. Структурная схема преобразователя постоянного напряжения в высокое напряжение В статье рассматриваются общие вопросы повышения стабильности выходного напряжения и снижения уровня пульсаций в выходном напряжении высоковольтных преобразователей напряжения в системах регистрации сигналов низкой интенсивности. Статья подготовлена на основе материалов, предоставленных компанией XP Power. Виктор Жданкин (Москва) При регистрации светового излуче- ния низкой интенсивности приходится использовать устройства с более высо- кой чувствительностью, чем обычные фотодиоды или приборы с зарядовой связью. Для этих целей часто применя- ются специализированные детекторы, такие как лавинные диоды, фотоэлек- тронные умножители и микроканаль- ные пластины. Высокая чувствитель- ность данных устройств обуславливает ряд особых требований при проекти- ровании электроники для обеспечения высокой эффективности и функцио- нальности регистрирующих систем. Приложения, в которых требуется регистрация светового излучения низ- кой интенсивности, включают в себя спектроскопию, обнаружение иони- зирующего излучения, ночное виде- ние, лазерные дальномеры, волоконно- оптические средства связи, анализато- ры крови, эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. Рас- сматриваемые в этой статье устрой- ства преобразуют поступающее све- товое излучение в электронный сиг- нал посредством фотоэффекта, когда электроны высвобождаются при взаи- модействии фотонов со светочувстви- тельной поверхностью. Светочувстви- тельная поверхность обычно находится под высоким отрицательным потенци- алом, как правило от –100 до –6000 В (в зависимости от устройства). Неко- торые примеры применения высоко- вольтных преобразователей напря- жения различных типов в системах регистрации светового потока пред- ставлены в статье [1]. Чрезвычайно небольшая величи- на поступающего светового излуче- ния ввиду высокой чувствительности детектора вызывает поток электронов. В некоторых случаях возможна реги- страция отдельного фотона. Очевид- но, что даже незначительные величи- ны смещения амплитуды напряжения, шум или нестабильность на фоточув- ствительной поверхности способны ухудшить качество функционирования детектора. Кроме того, фотоэлектрон- ные умножители особенно чувстви- тельны к электромагнитному полю. Магнитные поля могут искажать тра- ектории электронов, снижать коэффи- циент передачи детектора. Электрон- ные схемы, не содержащие фотоэлек- тронные умножители, также являются незащищёнными, и качество их функ- ционирования может снижаться под воздействием электромагнитного излу- чения и радиопомех. Вследствие этих причин для достижения максимально- го качества функционирования систе- мы особое внимание должно быть уде- лено электронным схемам питания и усиления сигнала. Применение высо- кого напряжения усложняет проблему. Формирование высокого напряже- ния смещения является задачей источ- ника высокого напряжения. Внутри такого источника поступающее посто- янное напряжение низкого уровня (обычно 5, 12 или 24 В) преобразуется в переменное напряжение с помощью инвертора, повышается высоковольт- ным трансформатором, затем выпрям- ляется и фильтруется (см. рис. 1). Остаточная пульсация выходного высокого напряжения, проходящая через каскад выпрямления, является нежелательной в рассматриваемых здесь высокостабильных малошумя- щих применениях. Магнитные и радио- частотные излучения особенно нежела- тельны по указанным ранее причинам. Известно, что для уменьшения перечис- ленных проблем требуется хорошая фильтрация и экранирование, но эти меры могут быть минимизированы в том случае, когда высоковольтный гене- ратор спроектирован таким образом, что генерирует минимальное электро- магнитное излучение и радиопомехи. С появлением импульсных источ- ников питания возникла проблема повышенных коммутационных пуль- саций и помех. Прямоугольная форма напряжения генерирует токи с высокой амплитудой и гармоники, которые соз- дают помехи на высоких частотах. Эти частоты нередко являются сложными для фильтрации и экранирования, осо- бенно в компактных системах, где при- сутствие высокого напряжения услож- няет ситуацию. Кроме того, вследствие необходимости выдерживать высокое напряжение, высоковольтные транс- форматоры характеризуются высоко- частотными паразитными элементами, главным образом ёмкостями, и могут являться основным источником излу- чаемых электромагнитных помех. Свойственные высоковольтным трансформаторам паразитные эле- менты приводят к появлению узкопо- Входной фильтр + DC – Вход программирования Выходной фильтр Выход высокого постоянного напряжения Делитель в контуре обратной связи Умножитель напряжения Инвертор Усилитель сигнала ошибки