3. Усилители заряда

Усилитель заряда формирует выходное напряжение, пропорциональное изменениям заряда, находящегося на приборе, который подключается ко входу усилителя. Например, в пьезодатчиках возникает заряд, изменяющийся в соответствии с действующим на элемент механическим усилием, что позволяет измерять такие параметры, как сила, давление и ускорение. Датчики с изменяющейся емкостью, например конденсаторные микрофоны, включаются последовательно с источником постоянного напряжения, поэтому давление воздуха или иные воздействия вызывают изменение заряда, находящегося на датчике. В приведенных примерах для получения выходного напряжения применяют усилители заряда. Они строятся на основе двух методов — интегрирования тока и высокого входного импеданса.

3.1. Усилитель заряда с интегрированием тока

Приведенная на рис. 3.1 схема работает как интегратор, в котором конденсатор в цепи обратной связи ОУ интегрирует входной ток . Для разряда конденсатора можно периодически замыкать ключ . При необходимости обеспечить обратную связь по постоянному току и для отвода входных токов можно использовать резистор . В некоторых схемах резистор отсутствует, так как он ограничивает снизу частотную характеристику усилителя. Косвенно резистор существует всегда и представляет из себя сопротивления утечек монтажа и ключа SIV], Для ограничения полосы пропускания усилителя в области высоких

Рис. 3.1. Усилитель заряда, построенный на основе метода интегрирования тока.

частот можно ввести в схему резистор он также стабилизирует работу ОУ с обратной связью. Показанные на схеме резистор и конденсатор представляют собой входное сопротивление и входную емкость ОУ, емкость монтажа и соединительного кабеля.

Коэффициент усиления схемы равен:

( - коэффициент усиления по напряжению ОУ ).

Полоса пропускания по уровню -3 дБ.

Нижняя граничная частота:

Верхняя граничная частота:

где

— частота единичного усиления для полностью скорректированного ОУ.

Выходное напряжение смещения равно:

где — входной ток смещения ОУ ; — входное напряжение смещения ОУ

Выходной дрейф равен:

(Выходной дрейф возникает из-за разряда конденсатора входным током смещения усилителя и током, протекающим через резистор

Так как усилитель интегрирует ток сигнала, требуется обеспечить минимальный входной ток смещения ОУ Для этих целей обычно применяются ОУ с полевым входом. Если в схеме отсутствует резистор важно обеспечить периодический разряд конденсатора (обычно автоматически) через ключ ; в такой схеме входные токи смещения ОУ будут течь через конденсатор заставляя выходное напряжение дрейфовать в одном направлении. Если в схему устанавливается резистор он должен быть, с одной стороны, достаточно малым, чтобы входные токи не вызывали большого напряжения смещения на выходе, и достаточно большим, чтобы обеспечить приемлемую низкочастотную характеристику. Чтобы предотвратить утечки по поверхности печатной платы, входы ОУ необходимо защитить охранным кольцом (см. гл. 1) и поддерживать чистоту поверхности платы.

Конденсатор должен быть высокостабильным (иначе появляется дрейф коэффициента усиления) и иметь высокое сопротивление изоляции (для улучшения характеристики на низких частотах); в случаях, когда входной заряд может изменяться очень быстро, важным фактором оказывается диэлектрическая абсорбция. Подходящими диэлектриками являются полистирол, полипропилен и фторопласт. Типичное значение емкости конденсатора лежит в пределах от 10 пФ до 10 нФ.

Для подачи входного сигнала необходимо применять специальный малошумящий кабель. Он должен иметь высокое сопротивление изоляции, чтобы предотвратить стекание заряда с датчика. Чтобы устранить электризацию при перегибании кабеля, зазор между внешним экраном

и внутренним наполнителем должен быть заполнен проводящей смазкой. Длину кабеля, соединяющего датчик с усилителем зарода, ограничивают несколько факторов. В случае слишком большой длины кабеля возникают потери сигнала на высоких частотах из-за большой емкости кабеля. В идеальном случае длина кабеля должна быть меньше одной пятидесятой длины волны на максимальной частоте полезного сигнала. Обычно погонная емкость кабеля составляет около 70 пФ на метр. Увеличение длины кабеля увеличивает слагаемое в выражении для коэффициента усиления. Следовательно, слишком длинный кабель увеличивает нелинейность и снижает верхнюю граничную частоту схемы.

Влияние шумов ОУ сказывается следующим образом.

— Входное напряжение шума На низких частотах выходное напряжение шума равно эквивалентному входному шуму, умноженному на ). На высоких частотах в рабочей полосе частот входное напряжение шума умножается на ), поэтому большая емкость конденсатора (например, длинного входного кабеля) может стать причиной увеличения шумов.

— Входной шумовой ток. Входные шумовые токи протекают, в основном, через резистор и конденсатор поэтому на частотах, меньших нижней граничной, напряжение шумов на выходе равно шумовому току, умноженному на На частотах сигнала влияние входного шумового тока уменьшается.

Рис. 3.2. Усилитель заряда со входом, развязанным по постоянному току.

Чтобы отвести входные токи с инвертирующего входа ОУ можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 3.2. Нижняя граничная частота по уровню —3 дБ для этой схемы составляет

Достоинство этой схемы состоит в том, что ее вход развязан по постоянному току; это защищает ОУ от перегрузок постоянным потенциалом. Кроме того, резистор и встречно включенные диоды VDX и обеспечивают определенную защиту от перегрузок при переходных процессах.