Wzmacniacz ładowania - Charge amplifier

Wzmacniacz opłata jest elektronicznym prąd integrator , który wytwarza napięcie wyjściowe proporcjonalne do zintegrowanego wartości prądu wejściowego, albo całkowitego ładunku wtryskiwanego.

Schemat wzmacniacza ładunku z czujnikiem piezoelektrycznym

Wzmacniacz kompensuje prąd wejściowy za pomocą kondensatora odniesienia ze sprzężeniem zwrotnym i wytwarza napięcie wyjściowe odwrotnie proporcjonalne do wartości kondensatora odniesienia, ale proporcjonalne do całkowitego ładunku wejściowego przepływającego w określonym czasie. Obwód działa zatem jako konwerter ładowania na napięcie. Wzmocnienie obwodu zależy od wartości kondensatora sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacz ładunku został wynaleziony przez Waltera Kistlera w 1950 roku.

Projekt

Wzmacniacze ładunek są zazwyczaj skonstruowane z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego lub inny układ półprzewodnikowy dużego wzmocnienia, z zwrotne ujemne kondensator C F .

Do węzła odwracanie przepływu Sygnał wejściowy ładunku q w i ładowania zwrotnego q f z wyjścia. Zgodnie z prawami obwodów Kirchhoffa kompensują się one nawzajem.

.

Ładunek wejściowy i napięcie wyjściowe są proporcjonalne ze znakiem odwróconym. Kondensator sprzężenia zwrotnego C f ustawia wzmocnienie.

Impedancja wejściowa obwodu jest prawie zerowa z powodu efektu Millera . Stąd wszystkie pojemności rozproszone (pojemność kabla, pojemność wejściowa wzmacniacza itp.) są praktycznie uziemione i nie mają wpływu na sygnał wyjściowy.

Rezystor sprzężenia R f rozładowanie kondensatora. Bez R f zysk DC byłyby bardzo wysokie, tak że nawet małe wejście DC offset prąd wzmacniacza operacyjnego wydaje się wysoce wzmacniany na wyjściu. R f i C f ustawiają dolną granicę częstotliwości wzmacniacza ładunku.

Ze względu na opisane efekty DC i skończone rezystancje izolacji w praktycznych wzmacniaczach ładunku układ nie nadaje się do pomiaru ładunków statycznych. Wysokiej jakości wzmacniacze ładunku umożliwiają jednak pomiary quasistatyczne przy częstotliwościach poniżej 0,1 Hz. Niektórzy producenci używają również przełącznika resetowania zamiast R f do ręcznego rozładowania C f przed pomiarem.

Wzmacniacz ładunku do czujników piezoelektrycznych

Praktyczne wzmacniacze ładunku zwykle zawierają dodatkowe stopnie, takie jak wzmacniacze napięcia, regulację czułości przetwornika, filtry górno- i dolnoprzepustowe, integratory i obwody monitorowania poziomu.

Sygnały ładowania na wejściu wzmacniacza ładowania może być tak niskie jak pewnym Fc (FemtoCoulomb = 10 -15 ° C). Pasożytniczym efektem typowych koncentrycznych kabli czujnikowych jest przesunięcie ładunku podczas zginania kabla. Nawet niewielki ruch kabla może generować znaczne sygnały ładowania, których nie można odróżnić od sygnału czujnika. Aby zminimalizować takie efekty, opracowano specjalne kable o niskim poziomie szumów z przewodzącą powłoką wewnętrznej izolacji.

Aplikacje

Typowe zastosowania obejmują wzmacnianie sygnałów z urządzeń, takich jak czujniki piezoelektryczne i fotodiody , w których ładunek wyjściowy z urządzenia jest przekształcany na napięcie.

Wzmacniacze ładunku są również szeroko stosowane w przyrządach mierzących promieniowanie jonizujące , takich jak licznik proporcjonalny lub licznik scyntylacyjny , gdzie należy mierzyć energię każdego impulsu wykrytego promieniowania w wyniku zdarzenia jonizującego. Całkowanie impulsów ładunku z detektora przekłada energię impulsu wejściowego na szczytowe napięcie wyjściowe, które można następnie zmierzyć dla każdego impulsu. Zwykle trafia to do obwodów rozróżniających lub analizatora wielokanałowego .

Dalsze zastosowania obejmują obwody odczytowe kamer CCD i płaskich matryc detektorów promieniowania rentgenowskiego . Wzmacniacz jest w stanie przekształcić bardzo mały ładunek zmagazynowany w kondensatorze w pikselach na poziom napięcia, który można łatwo przetworzyć. Niektóre wzmacniacze gitarowe wykorzystują również wzmacniacze ładunku.

Zalety wzmacniaczy ładunku to:

  • Umożliwia pomiary quasistatyczne w określonych sytuacjach, np. stałe naciski na piezo trwające kilka minut
  • Przetworniki piezoelektryczne z wyjściem ładunku i zewnętrznymi wzmacniaczami ładunku mogą być używane w wyższych temperaturach niż te z wewnętrzną elektroniką
  • Wzmocnienie zależy tylko od kondensatora sprzężenia zwrotnego, w przeciwieństwie do wzmacniaczy napięciowych, na które duży wpływ ma pojemność wejściowa wzmacniacza i pojemność równoległa kabla

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Przetworniki z wyjściem ładowania
  2. ^ a b c „Porównanie systemu pomiaru piezoelektrycznego: tryb ładowania vs. tryb napięcia o niskiej impedancji (LIVM)” . Instrumenty Dytranowe . Zarchiwizowane z oryginału w dniu 2007-12-17 . Źródło 2007-10-26 .
  3. ^ „Maksymalna długość kabla dla akcelerometrów piezoelektrycznych w trybie ładowania” . Endevco . Styczeń 2007. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2007-12-17 . Źródło 2007-10-26 .

Zewnętrzne linki