8. Электрометрические усилители

Двухкаскадный электрометрический усилитель.Усилитель состоит из двух звеньев (рис. 4.50) — интегрирующего наDA1иVT и пропорционально интегро-дифференцирующегоDA2 Выходное напряжение связано с входным током, протекающим через R1, выра­жениемU_вых = I_BxR₅C₂/C₁. Измеряемый входной ток вызывает линей­ное изменение напряжения на выходе ОУDA1, причем скорость из-менения пропорциональна входному току и обратно лропорциональна емкости конденсатораС1, Второе звено в пределах действия диф­ференцирующей цепиR₅С₂проводит дифференцирование выходного напряжения усилителяDA1.

Временной дрейф входного тока за 24 ч составляет 5-10^-17А, а температурный дрейф равен 5-10^-18А/град. Полоса усиливаемых частот определяется соотношением трех постоянных времениy?_tC,, К5С2 иR4C3. Зависимость двойной амплитуды шумового тока, при­веденного ко входу, от полосы пропускания приведена на графике рис. 4.50.

Для удовлетворительной работы схемы следует использовать конденсаторы с минимальными утечками. Для устранения перегруз­ки усилителя желательно применение устройства автоматического сброса напряжения на интегрирующих конденсаторах, наличие ко­торого проиллюстрировано контактами K1 и К.2, включенными па­раллельноС1 иСЗ.

Рис 4.49

Термостабильный электрометрический усилитель. Электрометри­ческий усилитель (рис 451) позволяет измерять минимальный ток 10~⁵А При этом выходное напряжение составляет около 50 мВ Усилитель содержит входной каскад на сборке полевых транзисторовDA1 и ОУDA2 в дифференциальном включении Для балансировки схемы служат потенциометрыR5 иR10 Для повышения стабиль­ности схемы желательно к выводу8 микросхемыDA1 подключать резисторы, аналогичные подключенным к выводу6 Это приводит к полной балансировке входных транзисторов Временной дрейф схемы равен 20 мВ/ч, а температурный — 5 мВ/град

Усилитель с компенсацией. Усилитель (рис. 4 52) усиливает сиг­налы в широкой полосе частот. Верхняя граничная частота опреде­ляется сопротивлением резистораR1. Расширение частотного диапа­зона получено за счет уменьшения емкости затвор — сток транзис­тораVT1. Это достигается тем, что через стабилитронVD1 с выхо­да усилителя на сток транзистораVT1 подано напряжение ООС. Схема обладает входным сопротивлением более 10¹⁰Ом

Рис. 4.50

Усилитель с регулируемой ООС. Усилитель (рис. 4.53) при коэффициенте усиления в преде­лах 10 обладает входным сопро­тивлением более 10¹⁰Ом. Коэффи­циент усиления может меняться в. достаточно широких пределах с помощью потенциометраR5. Фор­ма АЧХ усилителя в зависимости от сопротивления R₀проиллюст­рирована графиках рис 453. В полосе 50 кГц напряжение шу­ма усилителя равно 1 — 2 мкВ. При использовании вместо микро­схемыDA1 полевых транзисторов типа КПЗОЗВ не рекомендуется устанавливать коэффициент уси­ления более 10. В этом случае не­обходимо также обращать вни­мание на температурный и вре­менной дрейфы.

Простой мостовой электрометрический усилитель.Электрометри­ческий усилитель (рис. 4.54) состоит из транзисторно-резистор­ного моста и усилителя на микросхеме и позволяет измерять входной ток до 2-10^-15А. В усилителе применен полевой транзистоиVT, входное сопротивление которого более 10^йОм. Динамический диа­пазон входного напряжения ±0,7 В. Коэффициент усиления схемы равен 10. Верхняя граничная частота усилителя зависит от выход­ного сопротивления генератора сигнала и входной емкости полевого транзистораVT.

Мостовой электрометрический усилитель.Усилитель собран по мостовой схеме (рис. 4.55), в одно плечо которого включен полевой транзисторVT. Для уменьшения температурного.дрейфа усилителя в схему введены элементы подстройки режима работы полевого транзистора и балансировки моста. Напряжение на истоке транзисто­ра устанавливается с помощью подстроечного резистораR3. Баланси­ровка моста осуществляется подстроечным резисторомR4 В схеме моста желательно использовать резисторы с малым температурным дрейфом. При использовании проволочных резисторов, вызывающихтемпературный дрейф выходного напряжения 700 мкВ/град, что зна­чительно выше температурного дрейфа от полевого транзистора (4 — 7 мкВ/град), компенсации температурного дрейфа следует доби­ваться с помощью терморезистораR6. В этом случае температурный дрейф может быть снижен до 40 мкВ/град.

Рис. 4.51

Рис. 4.52

Рис. 4.53 Рис. 4.64

Рис. 4.55 Рис. 4.56

Выходной сигнал моста усиливается микросхемой, необходимый коэффициент усиления которой устанавливается резистором R7. Вся схема охвачена общей ООС. Эта связь осуществляется резисторамиR1 иR8 — R10. Усилитель может быть использован для измерения тиков порядка 10^-13— 10~¹²А. Чувствительность схемы равна 3-10^-14А при соотношении сигнал-шум, равном 3. Диапазон вход­ных напряжений 0,6 — 6 В. Температурный дрейф 40 мкВ/град. Вре­менной дрейф 10^-18А, ч. Полоса пропускания 0 — 7 Гц. Кроме интег­ральной микросхемы К140УД1Б в устройстве можно применить мик­росхему К153УД1.

Электрометрический усилитель.Электрометрический усилитель (рис. 4.56) позволяет измерять входные токи 5- 10-¹⁶— 5-10~¹² А. На входе усилителя применен полевой транзисторVT в схеме истокового повторителя. Сигнал с истока полевого транзистора подается на вход ОУ. Для уменьшения временного и температурного дрейфов полево­го транзистора ток через него (0,3 мА) стабилизирован резисторамиR1 иR2 и стабилитрономVD1. Сопротивление резистораR2 следует подбирать с учетом разброса параметров полевого транзистора. Для получения малой рассеиваемой мощности транзисторомVT потен­циал стока ограничивается стабилитрономVD2. Выходной сигнал полевого транзистора подается на инвертирующий вход интеграль­ной микросхемы. На неинвертиующий вход этой микросхемы пода­ется постоянное напряжение, с помощью которого согласуются входы усилителя по постоянному уровню. РезисторR8 осуществля­ет грубую, резисторR7 — плавную балансировку ОУ. Для уменьше­ния статического заряда в цепи затвора полевого транзистора слу­жит резисторR4 Параллельно этому резистору может быть включе­на цепочкаR5, С1, которая увеличивает коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания усилителя. Постоянная времени при этом уменьшается с 0,1 до 15 мс. С расширением полосы шум уси­лителя увеличивается до 2-10~¹⁵А (для узкой полосы он не превы­шает 8-10~^1вА). Максимальное выходное напряжение ±5 В. Дрейф нуля составляет 0,9 мВ в диапазоне температур 20° — 45° С. Времен­ной дрейф ±0,9 мВ/ч.

Рис. 4.57

Дифференциальный электрометрический усилитель.Входной кас­кад усилителя (рис. 4.57) выполнен по дифференциальной схеме на полевых транзисторах. Для стабилизации параметров усилителя при­менена 100%-ная ООС. При разомкнутой цепи ОС коэффициент усиления составляет 10⁴. Постоянная времени входной цепи для R1=10¹²Ом равна 0,1 с, а дляR1=10^МОм — 10 с. Такого же поряд­ка выбирается постоянная времени на выходе ОУ. Временной дрейф за 1 ч равен 0,5 мВ дляR1=10¹²Ом и 3 мВ дляR1=10⁴Ом. Темпе­ратурный дрейф в диапазоне от — 30 до 4-50 °С менее 0,1 мВ/град при R1=10¹²Ом. Шумы на выходе составляют 1,5 мВ дляRl = = 10¹²Ом и 3 м.В для R1=10¹⁴Ом. Пороговая чувствительность для 10¹²Ом составляет 1,5-10-¹⁵А, а для 10¹⁴Ом —3-1Q-¹⁷ А. При за­мене микросхемы К140УД1Б на микросхему К153УД1 в два раза увеличивается шумовая составляющая сигнала на выходе схемы.

Повторитель напряжения.Повторитель (рис. 4.58) собран на двух интегральных микросхемах. Предварительный дифференциаль ный каскад выполнен на сборке полевых транзисторовDA1. Входное сопротивление его равно 2-10⁹Ом. Для стабилизации режима поло­вых транзисторов по току в цепь истоков включен генератор тока на транзистореVT. Температурная стабилизация коллекторного тока транзистораVT осуществляется с помощью диодаVD1. Выходной сигнал дифференциального каскада поступает на входы ОУ. Связь выхода ОУ с затвором правого (по схеме) полевого транзистора обеспечивает 100%-ную ООС. Для устранения самовозбуждения в схему введены две корректирующие цепочки, состоящие из эле­ментовR7, Cl, C2, СЗ. При разомкнутой ОС общий коэффициент усиления составляет 80 дБ. Верхняя частота полосы пропускание равна 50 кГц. Коэффициент ослабления синфазного входного напря­жения не менее 70 дБ. а температурный дрейф не более 5 мкВ/град. Усилитель с ООС. Усилитель (рис. 4.59) имеет входное сопротив­ление 5 МОм при полосе пропускания от 2 Гц до 100 кГц. Коэффи­циент усиления не менее 10³. Максимальная амплитуда неискаженно го выходного сигнала 5 В. Усилитель устойчиво работает в диапазоне температур от — 20 до +60 °С. Стабильность параметров усилителя достигнута полной ООС по постоянному току. Полоса пропускания может быть уменьшена изменением параметров цепочкиR6, С2. ТранзисторыVT1 иVT2 могут быть заменены на интегральную мик­росхему К504НТ4, в которой транзисторы незначительно отличаются между собой по параметрам. Это позволит значительно улучшить параметры усилителя. Кроме того, транзисторыVT3 — VT5 можно заменить микросхемой К198НТ4. При замене транзисторов микро­схемой необходимо уменьшить напряжение питания.

Рис. 4.58 Рнс. 4.59