Усилитель заряда - Charge amplifier
Усилитель заряда представляет собой электронный ток интегратора , который производит выходное напряжение , пропорциональное интегральной величины входного тока или полного заряда впрыскиваемого.
Усилитель смещает входной ток с помощью опорного конденсатора обратной связи и выдает выходное напряжение, обратно пропорциональное величине опорного конденсатора, но пропорциональное общему входному заряду, протекающему в течение указанного периода времени. Таким образом, схема действует как преобразователь заряда в напряжение. Коэффициент усиления схемы зависит от емкости конденсатора обратной связи.
Усилитель заряда был изобретен Вальтером Кистлером в 1950 году.
Дизайн
Усилители заряда обычно конструируются с использованием операционного усилителя или другой полупроводниковой схемы с высоким коэффициентом усиления с конденсатором C f отрицательной обратной связи .
В инвертирующий узел поступают входной сигнал заряда q in и заряд обратной связи q f с выхода. По законам Кирхгофа они компенсируют друг друга.
- .
Входной заряд и выходное напряжение пропорциональны с перевернутым знаком. Конденсатор обратной связи C f устанавливает усиление.
Входное сопротивление схемы практически равно нулю из-за эффекта Миллера . Следовательно, все паразитные емкости (емкость кабеля, входная емкость усилителя и т. Д.) Практически заземлены и не влияют на выходной сигнал.
Резистор обратной связи R f разряжает конденсатор. Без R f усиление по постоянному току было бы очень высоким, так что даже крошечный входной ток смещения постоянного тока операционного усилителя выглядел бы сильно усиленным на выходе. R f и C f устанавливают нижнюю границу частоты усилителя заряда.
Из-за описанных эффектов постоянного тока и конечных сопротивлений изоляции в практических усилителях заряда схема не подходит для измерения статических зарядов. Однако высококачественные усилители заряда позволяют проводить квазистатические измерения на частотах ниже 0,1 Гц. Некоторые производители также используют переключатель сброса вместо R f, чтобы вручную разрядить C f перед измерением.
Практические усилители заряда обычно включают в себя дополнительные каскады, такие как усилители напряжения, регулировку чувствительности преобразователя, фильтры высоких и низких частот, интеграторы и схемы контроля уровня.
Сигналы заряда на входе усилителя заряда могут составлять всего несколько fC (фемто-кулон = 10 -15 C). Паразитный эффект обычных коаксиальных сенсорных кабелей - это сдвиг заряда при изгибе кабеля. Даже небольшое движение кабеля может привести к появлению значительных сигналов заряда, которые невозможно отличить от сигнала датчика. Для минимизации таких эффектов были разработаны специальные кабели с низким уровнем шума с проводящим покрытием внутренней изоляции.
Приложения
Общие приложения включают усиление сигналов от таких устройств, как пьезоэлектрические датчики и фотодиоды , в которых выходной заряд устройства преобразуется в напряжение.
Усилители заряда также широко используются в приборах, измеряющих ионизирующее излучение , таких как пропорциональный счетчик или сцинтилляционный счетчик , где необходимо измерять энергию каждого импульса детектируемого излучения из-за ионизирующего события. Интегрирование импульсов заряда от детектора дает перевод энергии входного импульса в пиковое выходное напряжение, которое затем можно измерить для каждого импульса. Обычно это поступает в схемы распознавания или многоканальный анализатор .
Другие применения - схемы считывания ПЗС- формирователей изображения и массивов плоских детекторов рентгеновского излучения. Усилитель способен преобразовывать очень небольшой заряд, хранящийся внутри пиксельного конденсатора, в уровень напряжения, который можно легко обработать. Некоторые гитарные звукосниматели также используют усилители заряда.
К преимуществам усилителей заряда можно отнести:
- Позволяет выполнять квазистатические измерения в определенных ситуациях, например при постоянном давлении на пьезоэлектрическое устройство в течение нескольких минут.
- Пьезоэлектрические преобразователи с выходом заряда и внешними усилителями заряда могут использоваться при более высоких температурах, чем преобразователи с внутренней электроникой.
- Коэффициент усиления зависит только от конденсатора обратной связи, в отличие от усилителей напряжения, на которые сильно влияет входная емкость усилителя и параллельная емкость кабеля.
Смотрите также
использованная литература
- ^ Преобразователи с выходом заряда
- ^ a b c «Сравнение пьезоэлектрических измерительных систем: режим зарядки и режим низкого импедансного напряжения (LIVM)» . Dytran Instruments . Архивировано из оригинала на 2007-12-17 . Проверено 26 октября 2007 .
- ^ "Максимальная длина кабеля для пьезоэлектрических акселерометров зарядового режима" . Endevco . Январь 2007 Архивировано из оригинала на 2007-12-17 . Проверено 26 октября 2007 .
