8.УСИЛИТЕЛИ ЗАРЯДА

До начала 50-х годов прошлого столетия использованию пьезоэффекта в измерительных системах препятствовало их чрезвычайно высокое выходное сопротивление. С появлением электронных устройств с высоким, практически близким к бесконечности входным сопротивлением и практически нулевым выходным появилась возможность практического использования пьезоэффекта в измерительной технике: космонавтике, баллистике, биомеханике, в инженерных системах и т.д. Они позволяют измерять механические силы, ускорения, давления и температуру.

Помимо пьезокристаллов, механические воздействия преобразовывать в заряд можно и с использованием ко нденсаторов (рис. 8.2). Если напряжение на обкладках конденсатора поддерживать постоянным U = const и менять расстояние d между его обкладками, то на обкла дках конденсатора будет наблюдаться изменение

заряда ∆q = ∆C(d) U.

Наиболее широко в измерительных преобразователях применяют кварцевые пластины в силу высокого постоянства их хара к- теристик при изменении внешних условий их применения.

Совокупность преобразователя и соответствующего электронного устройства преобразует в электрический сигнал (ток или напряжение) только изменение заряда во времени. Тем не менее, современные электронные устройства позво-

8.2. Усилители заряда с низкоомным входом

Схема такого усилителя, подключенного к выходу преобразователя, представлена на рис. 8.3, где q – заряд, генерируемый пьезодатчиком; Cд – емкость датчика; Cк – емкость кабеля, соединяющего датчик с входом усилителя; Cвх – входная емкость усилителя; C – емкость конденсатора обратной связи; R – сопротивление для создания пути входного тока; Rк – сопротивление кабеля; Rут – сопротивление утечки кабеля.

144

Рис. 8.3

Проанализировать такую схему можно двумя способами. Вопервых, заряд генерируемый датчиком, сообщается параллельно включенным конденсаторам Сд, Ск, Свх и С, т.е.

q = qСд + qСк + qСвх + qС = ∆U(Сд + Ск + Свх) + UвыхС.

При использовании в схеме усилителей с очень большим уси-

лением ∆U ≈ 0. Следовательно, весь заряд, генерируемый датчиком, поступает на обкладки конденсатора С и Uвых = q/C.

Отсюда, на первый взгляд, следует вывод о том, что на качество работы схемы не влияют емкости Сд, Ск и Свх. Это в самом деле

имеет место, если ∆U = 0, точнее, если коэффициент усиления усилителя по напряжению бесконечно велик.

В самом деле, он велик, но конечен, а следовательно, конечна и

величина ∆U. Это обусловливает необходимость учета емкостей Сд, Ск и Свх. Что касается емкостейСд и Свх, то они постоянны и их влияние скажется лишь на коэффициент передачи схемы. Сложнее обстоит дело с емкостью кабеля. Ее не всегда можно считать постоянной. Она меняется, например, при изгибе кабеля, при воздействии на него ускорений, вибраций и т.д. По этой причине, особенно в системе протяженных кабелей с их большой емкостью, желательно воспользоваться другой схемой.

Второй способ, дающий более корректные результаты, приводит к построению схемы с использованием теоремы Миллера. В соответствии с нею емкость цепи отрицательной обратной связи превращается в эквивалентную емкость Сэк = С(1+Ku), шунтирующую вход усилителя. Сопротивление же в цепи отрицательной обратной связи эквивалентно Rэкв = R/(1+ Ku), также блокирующему вход усилителя. Эквивалентная схема приведена на рис. 8.4.

145