Підсилювач заряду формує вихідну напругу, пропорційне змінам заряду, що знаходиться на приладі, який підключається до входу підсилювача. Наприклад, в п'єзодатчики виникає заряд, що змінюється відповідно до чинного на елемент механічним зусиллям, що дозволяє вимірювати такі параметри, як сила, тиск і прискорення. Датчики зі змінною ємністю, наприклад, конденсаторні мікрофони, включаються послідовно з джерелом постійної напруги, тому тиск повітря або інші дії викликають зміну заряду, що знаходиться на датчику. У наведених прикладах для отримання вихідної напруги застосовують підсилювачі заряду. Вони будуються на основі двох методів - інтегрування струму і високого вхідного імпедансу.
Підсилювач заряду з інтеграцією струму
По суті, датчик закорачивается, що при використанні кварцових датчиків змінює їх механічні властивості і резонансну частоту
Хороша частотна характеристика
Сполучні кабелі мало впливають на роботу підсилювача.
Наведена на рис. 3.1 схема працює як інтегратор, в якому конденсатор С2 в колі зворотного зв'язку ОУ А1інтегрірует вхідний струм IВХ Для розряду конденсатора С2 можна періодично замикати ключ SW1. При необхідності забезпечити зворотний зв'язок по постійному струму і для відводу вхідних струмів можна використовувати резистор R2. У деяких схемах резистор R2 відсутній, так як він обмежує знизу частотну характеристику підсилювача.
Побічно резистор R2существует завжди і вдає із себе опору витоків монтажу і ключа SW1. Для обмеження смуги пропускання підсилювача вобласти високих частот можна ввести в схему резистор R1; він також стабілізує роботу ОУ зі зворотним зв'язком. Показання на схемі резистор R3 і конденсатор С3 є вхідний опір і вхідну ємність ОУ, ємність монтажу і з'єднувального кабелю.
Коефіцієнт посилення KQ схеми дорівнює:
(KV - коефіцієнт посилення по напрузі ОУ A1). Смуга пропускання за рівнем -3 дБ.
Нижня гранична частота:
Верхня гранична частота:
(Вибирається найменше значення),
- частота одиничного посилення для повністю скоригованого ОУ.
Вихідна напруга зміщення одно:
де IСМ.ВХ - вхідний струм зміщення ОУ A1
UСМ.ВХ - вхідна напруга зміщення ОУ A1.
Вихідний дрейф дорівнює:
(Вихідний дрейф виникає через розряду конденсатора С2входним струмом зміщення підсилювача А1і струмом, що протікає через резистор R2.)
Так як підсилювач інтегрує ток сигналу, потрібно забезпечити мінімальний вхідний струм зміщення ОУ A1Для цих цілей зазвичай застосовуються ОУ з польовим входом. Якщо в схемі відсутній резистор R2, важливо забезпечити періодичний розряд конденсатора (зазвичай автоматично) через ключ SW1, в такій схемі вхідні струми зміщення ОУ будуть текти через конденсатор C2, змушуючи вихідна напруга дрейфувати в одному напрямку. Якщо в схему встановлюється резистор R2, він повинен бути, з одного боку, досить малим, щоб вхідні струми не викликали великого напруги зсуву на виході, і досить великим, щоб забезпечити прийнятну низкочастотную характеристику. Щоб запобігти витоку по поверхні друкованої плати, входи ОУ A1необходімо захистити охоронним кільцем (див. Гл. 1) і підтримувати чистоту поверхні плати.
Конденсатор С2должен бути високостабільним (інакше з'являється дрейф коефіцієнта посилення) і мати високий опір ізоляції (для поліпшення характеристики на низьких частотах); у випадках, коли вхідний заряд може змінюватися дуже швидко, важливим фактором виявляється діелектрична абсорбція. Відповідними діелектриками є полістирол, поліпропілен і фторопласт. Типове значення ємності конденсатора С2лежіт в межах від 10пФ до 10нФ.
Для подачі вхідного сигналу необхідно застосовувати спеціальний малошумящий кабель. Він повинен мати високий опір ізоля-ції, щоб запобігти стікання заряду з датчика. Щоб усунути електризацію при перегибании кабелю, зазор між зовнішнім екраном і внутрішнім наповнювачем повинен бути заповнений проводить мастилом. Довжину кабелю, що з'єднує датчик з підсилювачем заряду, обмежують кілька факторів. У разі занадто великої довжини кабелю виникають втрати сигналу на високих частотах через великої місткості кабелю. В ідеальному випадку довжина кабелю повинна бути менше однієї п'ятидесятих довжини хвилі на максимальній частоті корисного сигналу. Зазвичай погонне ємність кабелю становить близько 70 пФ на метр. Збільшення довжини кабелю збільшує доданок C3 / C2 · AV в вираженні для коефіцієнта посилення. Отже, занадто довгий кабель збільшує нелінійність і знижує верхню граничну частоту схеми.
Вплив шумів ОУ A1сказивается наступним чином.
-Вхідна напруга шуму. На низьких частотах вихідна напруга шуму одно еквівалентному вхідному шуму, помноженому на (1 + R2 / R3). На високих частотах в робочій смузі частот вхід-ве напруга шуму множиться на (1 + С3 / С2), тому біль-Шая ємність конденсатора C2 (наприклад, довгого вхідного кабелю) може стати причиною збільшення шумів.
-Вхідний шумовий струм. Вхідні шумові струми протікають, в основному, через резистор R2і конденсатор C2, тому на частотах, менших нижньої граничної, напруга шумів на виході одно шумового току, помноженому на R2. На частотах сигналу вплив вхідного шумового струму зменшується.
Щоб відвести вхідні струми з инвертирующего входу ОУ A1 можна скористатися схемою, наведеною на рис. 3.2. Нижня гранична частота за рівнем-3 дБ для цієї схеми становить:
Гідність цієї схеми полягає в тому, що її вхід розв'язаний по по-стояти току; це захищає ОУ від перевантажень постійним потенци-червоному. Крім того, резистор R1 і зустрічно включені діоди VD1 і VD2 забезпечують певний захист від перевантажень при перехідних про- процесах.