Вікіпедія

Підсилювач заряду: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
[неперевірена версія][неперевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Sw1972 (обговорення | внесок)
472 редагування
Доопрацьовано розділ "Частотна характеристика фізично здійсненого підсилювача заряду"
вікіфікація
Рядок 1:
'''Підсилювач заряду''' - — це пристрій призначений для стикування п’єзоелектричнихп'єзоелектричних давачів, які мають великий активний внутрішній опір, з різноманітними вимірювальними приладами. Ідея підсилювача заряду вперше була запропонована та запатентована Вальтером Кістлером у 1950 році.
[[Файл:Charge Amplifier.Connections.wiki.svg|centre|Рисунок 1. Схема підключення п’єзоелектричногоп'єзоелектричного давача до підсилювача заряду|frame]]
 
Позначення на рисунку 1: B&nbsp;— - п’єзоелектричнийп'єзоелектричний або ємнісний давач; A -&nbsp;— інвертуючий лінійний підсилювач з коефіцієнтом підсилювання K; C -&nbsp;— нормувальна ємність; U<sub>IN</sub> -&nbsp;— напруга на вході підсилювача; U<sub>OUT</sub> -&nbsp;— напруга на виході підсилювача.
 
П’єзоелектричнийП'єзоелектричний давач B підключається до входу інвертуючого підсилювача A через коаксіальний кабель або через виту пару.
 
Для того, щоб звести нанівець вплив паразитної ємкості кабелю, який з’єднуєз'єднує давач та вхід підсилювача, використовується штучне збільшення ємності на вході підсилювача за допомогою ефекту Міллера. Лінійний підсилювач, який входить до складу підсилювача заряду, охоплений від’ємнимвід'ємним зворотнім зв’язкомзв'язком через ємність <math>C</math>, це призводить до того, що на вході підсилювача з’являєтьсяз'являється додаткова ємність <math> C_{IN} = C \cdot (K+1)</math>.
 
У випадку ідеального підсилювача заряду напруга на виході підсилювача <math> U_{OUT}(t)</math> дорівнює відношенню заряду давача <math> Q(t)</math> до ємності зворотнього зв’язкузв'язку <math> C</math>: <math> U_{OUT}(t) = {Q(t) \over C}</math>.
 
== Спрощена модель підсилювача заряду ==
[[Файл:Charge Amplifier Simple Model.wiki.svg|centre|frame|Рисунок 2. Еквівалентна схема, яка пояснює роботу підсилювача заряду]]
Позначення на рисунку 2: Q(t)&nbsp;— - п’єзоелектричнийп'єзоелектричний або ємнісний давач; A -&nbsp;— інвертуючий лінійний підсилювач з коефіцієнтом підсилювання K; C<sub>SEN</sub> -&nbsp;— внутрішня ємність давача; C<sub>CAB</sub> -&nbsp;— ємність кабелю; C -&nbsp;— нормувальний конденсатор; U<sub>IN</sub> -&nbsp;— напруга на вході підсилювача; U<sub>OUT</sub> -&nbsp;— напруга на виході підсилювача.
 
На нижній частині рисунку 2 вхідна ємність підсилювача заряду позначена як C<sub>IN</sub>.
 
Для зручності деякі формули будуть представлені у операторній формі.
Рядок 46:
<math>U_{OUT}(t)=-K \cdot U_{IN}(t)</math>,
 
де <math>K</math> -&nbsp;— коефіцієнт підсилювання інвертуючого підсилювача.
 
Залежність напруги на вході підсилювача <math>U_{IN}(t)</math> від значення заряду давача <math> Q(t)</math>:
Рядок 62:
<math>U_{OUT}(t)=-{Q(t) \over C} \cdot {K \over {K+1}} \cdot {1 \over {1+{{C_{SEN}+C_{CAB}} \over {C \cdot (K+1)}}}}</math>.
 
Тобто, чим більше коефіцієнт підсилювання <math>K</math>, тим менше вплив ємностей давача <math> C_{SEN}</math> та кабелю <math> C_{CAB}</math> на вихідний сигнал <math> U_{OUT}</math>.
 
Якщо коефіцієнт підсилювання <math>K</math> дорівнює нескінченності, маємо ідеальний підсилювач заряду з передавальною характеристикою <math>U_{OUT}(t)=-{Q(t) \over C}</math>.
 
Важливою властивістю підсилювача заряду являється незалежність вихідної напруги від довжини екранованого дроту, який з’єднуєз'єднує давач з входом підсилювача. <ref>{{Cite book|url=http://phys.rsu.ru/web/petin/analog.pdf|title=Аналоговая схемотехника|last=Петин|first=Г. П.|year=2010|publisher=|location=|pages=|language=|isbn=}}</ref>
 
== Уточнена модель підсилювача заряду ==
[[Файл:Charge Amplifier.Improved Model.wiki.svg|centre|frame|Рисунок 3. Уточнена модель підсилювача заряду]]На рисунках 3-I та 3-II показані еквівалентні схеми реального підсилювача заряду.
 
Для запобігання дрейфу вхідної напруги на вході аналогового підсилювача через вплив струму витоку входу аналогового підсилювача A, для стабілізації роботи аналогового підсилювача A, розробники вимушені доповнювати схему на рисунку 1 резистором R у ланці зворотнього зв’язкузв'язку (див. рисунок 3-I) або резистором R<sub>IN</sub> на вході аналогового підсилювача (див. рисунок 3-II).
 
=== Перетворення активного опору R у ланці зворотнього зв’язкузв'язку на опір R<sub>IN</sub> на вході лінійного інвертуючого підсилювача ===
Струм I<sub>IN</sub> на вході лінійного інвертуючого підсилювача A, охопленого від’ємнимвід'ємним зворотнім зв’язкомзв'язком через резистор R:
 
<math>I_{IN}={{U_{IN}-U_{OUT}} \over {R}}={{U_{IN}+K \cdot U_{OUT}} \over {R}}={{U_{IN} \cdot (K+1)} \over {R}}</math>
 
Якщо переходимо від еквівалентної схеми на рисунку 3-I до еквівалентної схеми на рисунку 3-II, на вході лінійного інвертуючого підсилювача з’явитьсяз'явиться резистор R<sub>IN</sub>.
 
Тоді знову визначимо струм I<sub>IN</sub>: <math>I_{IN}={{U_{IN}} \over {R_{IN}}}</math>.
Рядок 115:
<math>U_{OUT}(p)=-K \cdot U_{IN}(p) =-K \cdot {Q(p) \cdot {1 \over {C_{SEN} + C_{CAB} + C \cdot (K+1)}} \cdot {{p \cdot \tau} \over {(p \cdot \tau + 1)}}}</math>,
 
де <math>K</math> -&nbsp;— коефіцієнт підсилювання інвертуючого підсилювача.
 
У підсумку маємо передавальну функцію реального підсилювача заряду:
Рядок 132:
<math>A(\omega) = \left \vert H({j \cdot {\omega}}) \right \vert = \left \vert {{U_{OUT}(j \cdot {\omega})} \over {Q(j \cdot {\omega})}} \right \vert = -{1 \over C} \cdot {K \over {K+1}} \cdot {1 \over {1+{{C_{SEN}+C_{CAB}} \over {C \cdot (K+1)}}}} \cdot { \sqrt {{{({\omega} \cdot {\tau})}^2} \over {1 + {({\omega} \cdot {\tau})}^2}}}</math>,
 
де <math>\omega ={2 \cdot {\pi} \cdot f}</math> -&nbsp;— кутова частота.
 
Остаточно маємо
 
<math>A(f) = -{1 \over C} \cdot {K \over {K+1}} \cdot {1 \over {1+{{C_{SEN}+C_{CAB}} \over {C \cdot (K+1)}}}} \cdot { \sqrt {{({{f} \over {f_{0}}})^2} \over {1 + ({{f} \over {f_{0}}})^2}}}</math>,
 
<math>f_{0}={{1} \over {2 \cdot {\pi} \cdot {\tau}}}</math> -&nbsp;— нижня межа смуги пропускання.
 
З цього можна зробити висновок, що реальний підсилювач заряду являється фільтром верхніх частот з нижньою межею смуги пропускання <math>f_{0}={{1} \over {2 \cdot {\pi} \cdot {\tau}}}</math>, тобто він не здатен підсилювати постійну складову заряду.
 
== ПосиланняПримітки ==
{{reflist}}
 
[[Категорія:Аналогова електроніка]]
[[Категорія:Схемотехніка]]
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Підсилювач_заряду