3.4.5. Підсилювач заряду

Забезпечує вихідну напругу, пропорційну електричному заряду, який приходить на його вхід (іншими словома ,підсилювач заряду – це інтегратор вхідного струму). Схему підсилювача заряду показано на рис. 3.14,б. Вона включає в себе ОП, охоплений зворотнім зв’язком через конденсатор Со. Джерело Д_о входу ОП під'єднано джерело вхідного заряду q_вх , умовно показано на рис.3.14,б у вигляді джерела напруги U_вх і з’єднаної послідовно з ним ємності C_i (q_вх = ∆U_вх C_i, де ∆U_вх – зміна вхідної напруги). Конденсатор С_л на схемі рис. 3.14,б показує ємність лінії, що з’єднує вихід джерела підсилюваного заряду із входом підсилювача заряду.

Підсилювач за схемою рис. 3.14,б в принципі можна розглядати як інвертувальний підсилювач для вхідної напруги U_вх . На відміну від звичайного інвертувального підсилювача тут на заміну резисторів R₁ і R₂ включені конденсатори C_i і С_о. Тому підсилювач реагує тільки на зростання вхідної напруги.

На практиці джерела вхідних зарядів виступають, зазвичай, п’єзоелектричні сенсори. Використання в цьому випадку підсилювачів зарядів замість підсилювачів напруги дозволяє значно зменшити похибку вимірювання, зумовлену нестабільністю ємкості п’єзоелектричного сенсора і з’єднювальної лінії.

Паралельно конденсатору С_о в підсилювачі заряду може бути приєднаний ключ (рис. 3.14,б), який дозволяє здійснювати початкове встановлення нульової вихідної напруги шляхом розряджання цього конденсатора через замкнений ключ. Можливе також встановлення паралельно конденсатора С_о резистора R_о, з допомогою якого обмежується нижня частота пропускання підсилювача.

Передавальна функція підсилювача заряду може бути отримана з графіку (рис.3.14,г), де Y_з = pC_л + q_вх + pC_о.с + Q_о. При цьому враховується те, що вхідний струм підсилювача є випливаючим вхідного заряду, тому коефіцієнт передачі гілки від джерела q_вх до вузла е_ дорівнює p, де p - оператор Лапласа. Після простих перетворень передавальної функції можна подати в вигляді

, (3.47)

де τ_о.с = C_о.с R_о.с ; τ _вх = C_лrrвх ; r _вх – вхідний опір ОП.

Присутність не рівних нескінченності опорів R_о.с і r_вх перешкоджає підсиленню низькочастотних опорів вхідного заряду . Якщо частота зміни вхідного заряду f_q така, що τ_о.с , τ _вх »1/ f_q , то передавальна функція спрощується:

. (3.48)

З формул (3.47) і (3.48) випливає, що ємність з’єднувальної лінії, як і вихідна ємність джерела заряду, вказує на вихідну напругу підсилювача заряду незначний вплив, тим менший, чим більший коефіцієнт підсилення ОП.

Збільшення коефіцієнта переміни підсилювача заряду досягається шляхом зменшення ємності C_ЗЗ. Можна також досягнути збільшення цього коефіцієнта за допомогою T –подібного триполюсника в колі зворотного зв’язку. Для того щоб спростити регулювання коефіцієнта перетворення і встановлення початкової напруги, зазвичай включають в склад триполюсника один конденсатор і два резистори (рис. 3.14,в). Якщо вважати ОП ідеальним, то передавальна функція підсилювача заряду за схемою рис. 3.14,в буде рівна

. (3.49)

де τ = C_ЗЗ R₁R₂/(R₁ +R₂).

Із співвіфдношення (3.49) видно, що для вхідного заряду, який змінюється разом з частотою f_q « (1/ τ), даний підсилювач має коефіцієнт перетворення

.