Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Усилитель заряда — это электронный интегратор тока, который формирует выходное напряжение, пропорциональное интегралу входного тока или общему инжектированному заряду. Усилитель компенсирует входной ток, используя обратную связь с эталонным конденсатором, и выдает выходное напряжение, обратно пропорциональное емкости эталонного конденсатора, но пропорциональное общему входному заряду, прошедшему за заданный период времени. Таким образом, схема функционирует как преобразователь заряда в напряжение. Коэффициент усиления схемы зависит от емкости конденсатора обратной связи. Усилитель заряда был изобретен Уолтером Кистлером в 1950 году.
A charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input current, or the total charge injected. The amplifier offsets the input current using a feedback reference capacitor, and produces an output voltage inversely proportional to the value of the reference capacitor but proportional to the total input charge flowing during the specified time period. The circuit therefore acts as a charge to voltage converter. The gain of the circuit depends on the values of the feedback capacitor. The charge amplifier was invented by Walter Kistler in 1950.
Дизайн
Усилители заряда обычно строятся на основе операционного усилителя или другой полупроводниковой схемы с высоким коэффициентом усиления с конденсатором отрицательной обратной связи Cf. Во входной инвертирующий узел поступают входной заряд qin и обратный заряд qf с выхода. В соответствии с законами Кирхгофа они компенсируют друг друга. Входной заряд и выходное напряжение пропорциональны, но с обратным знаком. Конденсатор обратной связи Cf определяет коэффициент усиления. Входное сопротивление схемы почти равно нулю из-за эффекта Миллера. Следовательно, все паразитные емкости (емкость кабеля, входная емкость усилителя и т.д.) практически заземлены и не оказывают влияния на выходной сигнал. Резистор обратной связи Rf разряжает конденсатор. Без Rf коэффициент усиления по постоянному току был бы очень высоким, поэтому даже незначительный входной ток смещения операционного усилителя проявлялся бы на выходе в сильно усиленном виде. Rf и Cf определяют нижнюю частотную границу усилителя заряда. Из-за описанных эффектов, связанных с постоянным током, и конечного сопротивления 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 Rf для ручного разряда Cf перед измерением. Практические усилители заряда обычно включают в себя дополнительные каскады, такие как усилители напряжения, регулировку чувствительности датчика, фильтры высоких и низких частот, интеграторы и схемы контроля уровня. Сигналы заряда на входе усилителя заряда могут быть очень малы – порядка нескольких фКл (фемтокулон = 10−15 Кл). Паразитным эффектом обычных коаксиальных кабелей датчиков является сдвиг заряда при изгибе кабеля. Даже небольшое движение кабеля может создавать значительные сигналы заряда, которые невозможно отличить от сигнала датчика. Для минимизации таких эффектов разработаны специальные малошумящие кабели с проводящим покрытием внутренней изоляции.
Charge amplifiers are usually constructed using an operational amplifier or other high gain semiconductor circuit with a negative feedback capacitor Cf. Into the inverting node flow the input charge signal qin and the feedback charge qf from the output. According to Kirchhoff's circuit laws they compensate each other. The input charge and the output voltage are proportional with inverted sign. The feedback capacitor Cf sets the amplification. The input impedance of the circuit is almost zero because of the Miller effect. Hence all the stray capacitances (the cable capacitance, the amplifier input capacitance, etc.) are virtually grounded and they have no influence on the output signal. The feedback resistor Rf discharges the capacitor. Without Rf the DC gain would be very high so that even the tiny DC input offset current of the operational amplifier would appear highly amplified at the output. Rf and Cf set the lower frequency limit of the charge amplifier. Due to the described DC effects and the finite isolation resistances in practical charge amplifiers the circuit is not suitable for the measurement of static charges. High quality charge amplifiers allow, however, quasistatic measurements at frequencies below 0.1 Hz. Some manufacturers also use a reset switch instead of Rf to manually discharge Cf before a measurement. Practical charge amplifiers usually include additional stages like voltage amplifiers, transducer sensitivity adjustment, high and low pass filters, integrators and level monitoring circuits. The charge signals at the input of a charge amplifier can be as low as some fC (FemtoCoulomb = 10−15C). A parasitic effect of common coaxial sensor cables is a charge shift when the cable is bent. Even slight cable motion may produce considerable charge signals which cannot be distinguished from the sensor signal. Special low noise cables with a conductive coating of the inner isolation have been developed to minimize such effects.