Jennifer Calhoon
Design World
Усилитель заряда – не самый распространенный тип усилителей, однако в некоторых случаях он может быть очень полезен. По сути, это интегратор тока, напряжение на выходе которого пропорционально интегрированному значению входного тока. Усилитель заряда может быть полезен, когда источник сигнала поступает от датчика, имеющего емкостной характер, например, если это пьезоэлектрический микрофон или гидрофон, или если датчиком служит фотодетектор. Схема усилителя заряда на основе ОУ приведена на Рисунке 1.
 |
| Рисунок 1. |
Резистор R1 устанавливает режим работы ОУ по постоянному току; без резистора напряжение на выходе ОУ дрейфовало бы вверх или вниз до уровня напряжения одной из шин питания, в зависимости от полярности тока смещения ОУ. Сопротивление резистора должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить подходящую рабочую точку ОУ без существенного снижения требуемых характеристик. В то же время, сопротивление должно быть больше, чем импеданс конденсатора C1 на минимальной используемой частоте. Для ОУ с малым током смещения, таких, как КМОП усилители или усилители с полевыми транзисторами на входах, сопротивление резистора, как видно из Рисунка 1, может быть очень большим.
Понятие «усиления» усилителя заряда не вполне очевидно, так как зависит от емкости источника сигнала. Например, емкость гидрофона Brüel & Kjær 8103 составляет 3850 пФ, определяя усиление, равное в данном случае 20•log(3850 пФ/100 пФ), или 31.7 дБ. «Усиление» – не совсем подходящий термин для описания передаточной функции, поскольку выходное напряжение пропорционально заряду датчика. Тем не менее, часто бывает удобнее рассматривать сигнал, как напряжение, которое снимается с определенной емкости, имеющей, соответственно, определенный заряд.
Например, в спецификации гидрофона B&K 8103 заявлена чувствительность 0.12 пКл/Па, а также 30 мкВ/Па. Поскольку емкость составляет 3850 пФ, а чувствительность к заряду должна основываться на соотношении Q = CV, умножим 30 мкВ на 3850 пФ. В результате получим 0.12 пКл – то же значение, которое указывает B&K, то есть, оказывается, что одна и та же величина попросту выражена двумя разными способами.
Динамические характеристики рассматриваемой схемы без учета обратной связи показаны на Рисунке 2.
 |
| Рисунок 2. |
Усиление, как и ожидалось, составляет 31.7 дБ. Частота среза по уровню 3 дБ определяется ограничениями ширины полосы усиления ОУ. Для моделирования работы усилителя датчик был представлен источником напряжения с последовательно подключенным к нему конденсатором (Рисунок 3).
 |
| Рисунок 3. |
Моделью датчика так же может служить источник тока с параллельным конденсатором. Такой подход целесообразен в случаях, когда датчиком является обратносмещенный фотодиод.
Частота среза по уровню 3 дБ, определяемая величинами R1 и C1, при использованных нами значениях 50 МОм и 100 пФ, соответственно, равна 31.8 Гц. Если расширить область моделирования до этой частоты, можно увидеть, что частота среза действительно будет такой.
В случае, когда источником сигнала служит фотодиод, мы имеем входной ток только одного направления, поэтому напряжение на выходе усилителя заряда скачком изменится до нового значения, а затем будет медленно возвращаться обратно со скоростью, зависящей от постоянной времени RС-цепи обратной связи. В итоге будет получен импульс, подобный изображенному на Рисунке 4.
 |
| Рисунок 4. |
Внесенный заряд определяет высоту импульса. В данном случае это отрицательный импульс, поскольку ток инжектируется в инвертирующий вход ОУ. Спад импульса определяется величинами сопротивления резистора и емкости конденсатора в цепи обратной связи. Поэтому при необходимости уменьшить время спада вам следует выбрать резистор с меньшим сопротивлением. Подобная схема и форма выходного импульса полезны в таких устройствах, как дозиметры, где важны как высота импульсов, так и их количество. Нередко между входным каскадом усилителя заряда и измерителем пиковой амплитуды включают дополнительный формирователь импульсов.
