Усилитель заряда с интегрированием тока

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.

Усилитель заряда с интегрированием тока

Достоинства	Недостатки
Линейность	По существу, датчик закорачивается, что при использовании кварцевых датчиков изменяет их механические свойства и резонансную частоту
Хорошая частотная характеристика
Соединительные кабели мало влияют на работу усилителя.

Приведенная на рис. 3.1 схема работает как интегратор, в котором конденсатор С2 в цепи обратной связи ОУ А1интегрирует входной ток I_ВХ Для разряда конденсатора С2 можно периодически замыкать ключ SW1. При необходимости обеспечить обратную связь по постоянному току и для отвода входных токов можно использовать резистор R2. В некоторых схемах резистор R2 отсутствует, так как он ограничивает снизу частотную характеристику усилителя.

Косвенно резистор R2существует всегда и представляет из себя сопротивления утечек монтажа и ключа SW1. Для ограничения полосы пропускания усилителя вобласти высоких частот можно ввести в схему резистор R1; он также стабилизирует работу ОУ с обратной связью. Показанные на схеме резистор R3 и конденсатор С3 представляют собой входное сопротивление и входную емкость ОУ, емкость монтажа и соединительного кабеля.

Коэффициент усиления K_Qсхемы равен:

(K_V- коэффициент усиления по напряжению ОУ A1 ). Полоса пропускания по уровню -3 дБ.

Нижняя граничная частота:

Верхняя граничная частота:

(выбирается наименьшее значение),

где

— частота единичного усиления для полностью скорректированного ОУ.

Выходное напряжение смещения равно:

где I_СМ.ВХ - входной ток смещения ОУ A1

U_СМ.ВХ - входное напряжение смещения ОУ A1.

Выходной дрейф равен:

(Выходной дрейф возникает из-за разряда конденсатора С2входным током смещения усилителя А1и током, протекающим через резистор R2.)

Так как усилитель интегрирует ток сигнала, требуется обеспечить минимальный входной ток смещения ОУ A1Для этих целей обычно применяются ОУ с полевым входом. Если в схеме отсутствует резистор R2, важно обеспечить периодический разряд конденсатора (обычно автоматически) через ключ SW1, в такой схеме входные токи смещения ОУ будут течь через конденсатор C2, заставляя выходное напряжение дрейфовать в одном направлении. Если в схему устанавливается резистор R2, 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 A1необходимо защитить охранным кольцом (см. гл. 1) и поддерживать чистоту поверхности платы.

Конденсатор С2должен 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 С2лежит в пределах от 10пФ до 10нФ.

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 заряда, 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 C3/C2·A_Vв выражении для коэффициента усиления. Следовательно, слишком длинный кабель увеличивает нелинейность и снижает верхнюю граничную частоту схемы.

Влияние шумов ОУ A1сказывается следующим образом.

-Входное напряжение шума. На низких частотах выходное напряжение шума равно эквивалентному входному шуму, умноженному на (1 + R2 / R3 ). На высоких частотах в рабочей полосе частот вход­ное напряжение шума умножается на (1 + С3/С2), поэтому боль­шая емкость конденсатора C2(например, длинного входного кабеля) может стать причиной увеличения шумов.

-Входной шумовой ток. Входные шумовые токи протекают, в основном, через резистор R2и конденсатор C2, поэтому на частотах, меньших нижней граничной, напряжение шумов на выходе равно шумовому току, умноженному на R2. На частотах сигнала влияние входного шумового тока уменьшается.

Чтобы отвести входные токи с инвертирующего входа ОУ A₁можно 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 R₁и встречно включенные диоды VD₁и VD₂ обеспечивают определенную защиту от перегрузок при переходных про­цессах.