Усилитель заряда Советский патент 1985 года по МПК G01R29/24 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при согласований пьезоэлектрических кварцевых датчиков с регистрирунзщими приборами а также при реализации изkepитeльных интеграторов входного тока нанои микроамперного диапазона со временем регистрации порядка нескольких минут.

Известен усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, в цепи отрицательной обратной связи которого параллельно включены масштабирующий конденсатор и ключ начальной установки выходного напряжения lj ,

Недостатком известного устройства является большая погрешность преобразования входных квазистатических зарядов, обусловленная паразитной проводимостью ключа.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является усилитель заряда, содержащий операционный электрометрический усилитель между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены масштабирукяций конденсатор и ключ, снабженный металлическим лепестком, разделяющим изолятор ключа на входную и выходную секции и подключенным к выходу источника опбрного напряжения 2 .

В указанном устройстве уровень опорного напряжения устанавливается оператором или автоматически непосредственно перед началом измерител ного эксперимента в моменты времени когда ключ оказывается в замкнутом состояний. Уровень опорного напряжения как по абсолютной величине, так и по полярности является весьма близким к начальному уровню напряжения на выходе усилителя заряда. Вследствие этого, а также того,что во время измерительной стадии работы устройства напряжение на инвертирующем входе операционного электрометрического усилителя на три - четьфе порядка меньше текущих значений выходного напряжения усилителя заряда, достигается существенное уменьшение составляющей паразитного входного тока, обусловленного конечным значением сопротивления изоляции ключа. Однако полного прдавления упомянутой

паразитной составляющей на протяжении всей длительности измерительной стадии работы не может быть получено поскольку поДстрой):а выходного напряжения опорного источника до уровня напряжения ни инвертирукяцем входе усилителя заряда производится лишь в течение предварительной стадии работы устройства. В течение же измерительной стадии работы напряжение на инвертирующем входе усилителя получает относительно зафиксированного начального уровня приращение, равное по модулю отношению величины выходного напряжения усилителя заряда к значению коэффициента усиления по напряжению у операционного электрометрического усилителя. Данное приращение потенциала инвертирующего входа усилителя приводит к появлению паразитной составляющей входного тока пикоамперного диапазона. Этот ток заряжает масштабирующий конденсатор усилителя заряда, в результате чего его выходное напряжение изменяется во времени приблизительно по линейному закону, что приводит к искажению формы регистрируемого сигнала, обусловливая большую погрешность преобразования и запоминания входного квазистатического заряда нано- и пикокулонового диапазонов при длительности регистрации порядка нескольких минут.

Целью изобретения является повышение точности преобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при работе в затрудненных климатических условиях.

Поставленная цель достигается тем что в усилитель заряда, содержащий операционный электрометрический усилитель, между выходом и инверт.ирующи входом которого параллельно включены масштабируимдий конденсатор и ключ, снабженный металлическим лепестком, разделяющим изолятор ключа на входную и выходную секции, введен элeкfрометрнческий повторитель напряжения вход которого подключен к инвертирукщему входу операционного электрометрического усилителя, а выход к металлическому лепестку ключа.

Операционный электрометрический усилитель состоит иэ последователь.но включенных входного дифференциального операционного усилителя с электрометрическими каскадами на обоих входах и дополнительного усилителя, охваченных цепью отрицательной обра ной связи, включающий в себя бессдв говый дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого через один из резисторов соединение шиной нулевого потенциала, а выход через другой резистор и переключатель подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему конденсатору, соединенному потенциальной обкладкой с непнвертирующим входом входного дифференциального операционного усилителя. Электрометрический повторитель напряжения состоит из двух истоковы повторителей, бессдвигового диффере циального операционного уСилиТеля и выходного дифференциального опера ционного усилителя, причем инвертирукяций вход последнего через первый резистор соединен с его вькодом и через второй резистор - с выходом первого истокового повторителя, а неинвертирукяций вход через третий резистор подключен к выходу второго истокового повторителя, являющегося входным, с выходом выходного дифференциального операционного усилител через четвертый резистор соединен неинвертирующий вход бессдвигового дифференциального операционного усилителя, выход которогЬ через пятьй резистор и переключатель подклю чен к шине нулевого потенциала и за поминающему конденсатору; соединенному потенциальной обкладкой с входом первого истокового повторителя, а инвертирующий вход через шестой резистор - к выходу операционного электрометрического усилителя. На чертеже представлена принципи альная электрическая схема предлага мого усилителя заряда. Усилитель заряда содержит операционный электрометрический усилитель 1, мехду инвертирующим входом которого, соединенным с входным заж мом 2 устройства, и выходом, сое диненнш | с выходным зажимок 3 устройства, параллельно включены масштаби конденсатор 4 и ключ 5, снаб женный металлическим лепестком 6, разделякщнм изоляционную плату ключа-на входную 7 и ввлходную 8 сек ции. Между выходньм зажимом 3 устрой ства и инвертирующим входом 9 уси лятеля 1 включена цепь 10 отрицательной обратной связи, включающая в себя бессдвиговый дифференциальный усилитель 11 (имеющий пренебрежи МО малые значения ЭДС смещения и дрейфа), инвертирующим входом подключенный к зажиму 3, резистор 12, переключатель 13 и запоминающий конденсатор 14, потенциальной обкладкой соединенный с неинвертирующим входом 9 усилителя t. При этом неинвертирующий вход усилителя 11, а также другая обкладка конденсатора 14 подключена к тине 15 нулевого потенциала . К входному зажиму 2 устройства подключен, вход электрометрического повторителя 16 напряжения, выход (зажим) 17 которого соединен с металлическим лепестком 6 ключа 5. Электрометрический повторитель 16 содержит выходной дифференциальный операционный усилитель 18 с масштабирукяцими резисторами 19 и 20 и истоковыми повторителями 21 и 22, выполненными на МОП-транзисторах. Между зажимом 17 и затвором транзистора 22 включена цепь отрицательной обратной связи, включающая в себя бессдвиговый дифференциальный операционный усилитель 23 (имеющий пренебрежимо Majaie значения ЭДС смещения и дрейфа), резтнстор 24, переключатель 25 и запоминающий конденсатор 26. При этом неинвертирующий вход усили еля 23 подключен к зажиму 17, а инвертирующий (опорный) вход к за- жиму 3, т.е. к выходу операционного электрометрического усилителя 1. Усилитель 1 в частном варианте исполнения содержит входной операционный усилитель 27 с электрометрическими каскадами на обоих его входах и дополнительный усилитель 28 напряжения. Ключ 5 и переключатели 13 и 25 управляются во времени синхронно от блока управления (не показан) или оператором вручную. . Усилитель заряда работает, в две стадии следующим образом. Предварительно производится подключение источника электрического заряда, в частности пьезоэлектрического датчика, между входным зажимом 2 и шиной 15 (или зажимом 17). В исходном положении ключ 5 замкнут, а подвижные контакты переключателей 13 и 25 находятся в верхнем положении, т.е. цепи обратной связи усилителя 1 и повторителя 16 замкнуты При этом масштабирующий кЬнденсатор усилителя 1 оказывается полностью разряженным, а входное и выходное напряжения усилителя 1 устанавливаю ся на нулевом уровне в результате действия цепи 10, на входе которой применен бессдвиговый диффер%нциаль ный усилитель 11, имеющий пренебрежимо малые значения ЭДС смещения и дрейфа. Практически на нулевом уровне устанавливается также выходное напряжение электрометрического повторителя 16 вследствие поступления на затвор транзистора 22 сигна.ла обратной связи, создаваемого бес сдвиговым дифференциальным операционным усилителем 23, усиливающим разность напряжений на зажимах 3 и 17, и запоминаемого на конденсато ре 26. В результате потенциал металличе кого лепестка 6 в течение рассматри ваемой предварительной стадии работ усилителя заряда практически не отл чается от нуля и от потенциала инве тирующего входа 2 усилителя 1, а сл довательно, отсутствует составляюща входного тока усилителя 1 даже при невысоких значениях сопротивления изоляции входной секции 7 ключа 5. Во время измерительной стадии работы усилителя заряда ключ 5 разомкнут, а подвижные контакты переключателей 13 и 25 соединяются с ши ной 15, как показано на схеме. При этомизмеряемый заряд с пьезоэлектрического датчика поступает ,на зажим 2 и компенсируется зарядом масштабирующего конденсатора 4, опреде ляя тем самым величину напряжения на зажиме 3. Уровень напряжения на зажиме 2 (относительно шины 15) получает приращение, по сравнению с выходным напряжением уменьшенное в коэффициент усиления операционног электрометрического усилителя 1. Точно такое же приращение напряжения имеет место и на зажиме 17 элек рометрического повторителя 16, всле ствие чего разность потенциалов между зажимом 2 и металлическим лепестком 6 поддерживается практиче ки равной нулю в любой текущий момент времени, поэтому не возникает паразитная составляющая входного тока усилителя 1 даже несмотря на конечное значение сопротивления изоляции входной секции 7 ключа 5. Предлагаемый усилитель заряда может быть выполнен и в многопредельном варианте . При этом в схему вводятся дополнительные масштабирующие конденсаторы и двухсекционный переключатель, снабженный металлическими лепестками, разделяющими изоляционные платы переключателя и подключаемыми к зажиму 17. Источник входного заряда, в частности пьезоэлектрический датчик силы, может быть также включен между зажимами 2 и 17. При этом схема, представленная на чертеже, может быть упрощена за счет исключения цепи 10 обратной связи и соединения неинвертирующего входа 9 усилителя 1 с шиной 15. Конструктивно в ряде случаев оказывается более предпочтительным вариант включения пьезоэлектрического датчика междузажимом 2 и шиной 15. В этом случае, особенно при высоких значениях общего коэффициента, усиления по напряжению усилителей 27 и 28 и сопротивлений изоляции датчика и ключа 5, представленная схема также может быть упрощена за счет исключения из нее электрометрического повторителя 16, но сохранения цепи 10 обратной связи, охватывающей электрометрический усилитель 1. В случае применения в устройстве дифференциальных усилителей 11 и 23, имеющих входное сопротивление не менее нескольких килоом, внешние входные резисторы, показанные на схеме без цифровых обозначений и ограничивающие выходной ток усилителей 1 и 18 и повторителя на транзисторе 21, могут быть также исключены. В некоторых случаях реализации усилителя заряда оказывается допустимым подключение инвертирующего входа дифференциального усилителя 23 к шине 15, а не к вькодному зажиму 3.. Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности преобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при длительностях фиксации выходного сигнала порядка нескольких минут. Особенно значительный (в несколько .раз) выигрыш в повышении точности измерения квазистатических зарядов по сравнению с известными

усилителями достигается при работе в затрудненных климатических- условиях, например в условиях повьшенно.й влажности, и при измерении электрических зарядов нано- и пикокулонового диапазонов, что характерно, например, при использовании пьезоэлектрических датчиков силы, ускорения, давления газов, температуры, изготовленных из кэарца.

1. УСИЛИТЕЛЬ ЗАРЯДА, содержащий операционный электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены масштабирующий конденсатор и ключ, снабженный металлическим лепестком, разделяющим изолятор ключа на входную и выходную секции, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности преобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при работе в затрудненных климатических,условиях, в него введён электрометрический повторитель напряжения, вход которого подключен к инвертирующему входу операционного электрометрического усилителя, а выход - к металлическому лепестку ключа. 2. Усилитель поп. 1, о т л ичающийся тем, что операционный электрометрический усилитель состоит из последовательно включенных входного дифференциального one- рационного усилителя, с электрометрическими каскадами на обоих входах и дополнительного усилителя, охваченных цепью отрицательной обратной связи, включающей в себя бессдвиговый дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого через один из резисторов соединен с шиной нулевого потенциала, а выход через другой резистор и переключатель подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему конденсатору, соединенному потенциальной обкладкой с неинвертирующим входом входного дифференциального операционного усилителя. 3. Усилитель по п. 1, о т л и |чающийся тем, что электромет рический повторитель напряжения чя тоит из двух истоковых повторителей, бессдвигового дифференциального операционного усилителя и выходного дифс ференциального операционного усилителя, причем инвертирующий вход последнего через первый резистор соединен с его выходом и через второй резистор - с выходом первого истокового повторителя, а неинвертирующий вход через третий резистор подключен к вц4ai ходу второго истоКового по вторителя, 00 являющегося входным, с выходом выходног о дифференциального onepauHOHHO го усилителя через четвертый резистор соединен неинвертирующий вход &0 бессдвигового дифференциального операционного усилителя, выход которого через пятый резистор и перекхпочатель . подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему конденсатору, сбединенному потенциальной обкладкой с входом первого истокового повторителя, а инвертирующий вход через шестой резистор - к выходу операционного .электрометрического усилителя.