Электрометрический преобразователь заряда Советский патент 1989 года по МПК G01R19/00 

L..

Сброс

вМ(Од

(Л

СП

О

а &о О) сх

Разрешение измерения -о

3LSUb Jb

разователь заряда содержит электрометрический усилитель 1, интегрирующий конденсатор 2, аналоговый ключ 3, компенсационный усилитель 4 постояв- , ного тока, блок 5 слежения-хранения, дополнительный конденсатор 6, высо- коомиый резистор 7, делитель напряжения на резисторах 8 и 9, нелинейный резистор 10,„выполненный на двух Ю встречно-параллельно включенных эмит- терных переходах транзисторов 11 и

12, блок 13 управления, электромеханический предусилитель 14 и операционный усилитель 15. Электрометрический предусилитель 14 содержит две комплементарные пары МДП-транзисторов 16 19. Такое выполнение предусилителя 14 расширяет динамический диапазон входных сигналов и повышает помехоустойчивость в период начальной установки преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в преобразователях заряда. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразователя заряда по цепям питания. Преобразователь заряда содержит электрометрический усилитель 1, интегрирующий конденсатор 2, аналоговый ключ 3, компенсационный усилитель 4 постоянного тока, блок 5 слежения-хранения, дополнительный конденсатор 6, высокоомный резистор 7, делитель напряжения на резисторах 8 и 9, нелинейный резистор 10, выполненный на двух встречно-параллельно включенных эмиттерных переходах транзисторов 11 и 12, блок 13 управления, электрометрический предусилитель 14 и операционный усилитель 15. Электрометрический предусилитель 14 содержит две комплементарные пары МДП-транзисторов 16-19. Такое выполнение предусилителя 14 расширяет динамический диапазон входных сигналов и повышает помехоустойчивость в период начальной установки преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости преобразователя по цепям питания.

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2- временные диаграммы, поясняющие его работу.

Электрометрический преобразователь заряда содержит электрометрический усилитель 1, выход которого соединен с выходом устройства, интегрирующий конденсатор 2, включенный меж ду входом устройства и выходом усилителя 1, аналоговый ключ 3, последовательно соединенные между выходом усилителя 1 и его входом компепсацни усилитель 4 постоянного тока и блок 5 слежения-хранения, дополнительА гй конденсатор 6, высокоомный резистор 7, делитель напряжения на резисторах 8 и 9, нелинейный резистор 10, выполненный на двух встречно и парал- лельно включенных эмиттерных переходах транзисторов 11 и 12, и блок 13 управления.

Электрометрический усилитель 1 содержит электрометрический предусили- тель 14 и операционный усилитель 15. Электрометрический предусилитель 14 вьшолнен в виде интегральной схемы, содержащей две комплементарные пары ЩП-транзисторов 16, 17и18, 19, исток и подложка транзистора 16 с каналом п-типа соединены с шиной источника полоясительного напряжения (+Е), исток и подложка транзистора 17 с каналом р-типа соединены с ши- ной источника отрицательного напряжения (-Е). Стоки транзисторов 16 и 17 подключены к выходу предусилителя 14 и неинвертирующему входу усилителя

15, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с выходом усилителя 1. Затворы транзисторов 16, 17 и 18, 19 соединены с входом предусилителя 14 и информационным входом усилителя 1 стоки и истоки транзисторов 18 и 19 объединены и подключены к входу компенсации предусилителя 14 и соответственно усилителя 1, подложки этих транзисторов подключены соответственно к шинам источников положительного (+Е) и отрицательного (-Е) напряжения.

Резистор 7 присоединен между входом устройства и входом усилителя 1. Нелинейный резистор 10 подключен между входом усилителя 1 и выходом делителя напряжения на резисторах 8 и 9, к. которому через ключ 3 подключена общая шина.. Первый вход этого делителя подключен к общей шине через конденсатор 6, а Второй вход - к выходу усилителя 1. Вход блока 13 подключен к входу Сброс -устройства, первый выход - к входу управления блока 5 и к шине разрешения измерения, а второй выход - к входу управления ключа 3.

Электрометрический преобразователь заряда функционирует следующим образом.

После подачи питающих напряжений выходное напряжение электрометрического усилителя 1 имеет некоторый уровень, отличный от нулевого (фиг. 2а, интервал времени ). Остаточное выходное напряжение усилителя 1 обусловлено напряжением eto смещения нуля и набросом заряда на конденсатор 2 во время переходного процесса в схеме устройства при поступлении пита Ю1ЦИХ напряжений. До момента времени t 1 поступления команды Сброс

(фиг. 26) на проведение коррекции тока смещения нуля электрометрического усилителя 1 на вход блока 13

напряжения U, и выходах послед- ния нуля усилителя 4. Однако при него равны нулю (фиг. 2 в,г). При этом.результирутащий входной ток уси- этом ключ 3 остается замкнутым, а лителя I уменьшается в раз. блок 5 находится в режиме хранения. Так как при замкнутом ключе 3 нелинейВ момент времени t4 напряжение U и принимает низкий уровень, а блок 5

ная отрицательная обратная связь, ю элементами которой являются нелинейный резистор 10 и резистор 9, разомкнута, то при отсутствии измеряемых входных сигналов изменение выходного напряжения усилителя 1 определяет- 15 трометрического преобразователя зз- ся величиной проинтегрированного вход- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ного тока устройства. Входной ток, в свою очередь, определяется суммой паразитных токов изоляторов, входным током смещения усилителя 1 и паразит- 20 ром 2. Выходное напряжение U усили- ным током-источника сигнала, В момент теля 1 пропорционально уровню входно- времени t на первом выходе блока 13, который может быть выполнен, например, в виде двух лоследовательно включенных одновибраторов, появляется вы- 25 рением, проводятся повторньш сброс сокий уровень напряжения, ключ 3 раз- интегрирующего конденсатора 2 и ком- мыкается до момента времени tj. В течение интервала времени t ,-t-j нелинейная отрицательная обратная связь замкнута и .происходит разряд интегри- ЗО да выходной каскад усилителя 1 насы- рующего конденсатора 2. Остаточное щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного транзисторов II или 12 (в зависимости 5 перехода одного из транзисторов 11 от полярности выходного напряжения или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В, электрометрического усилителя 1) и составляет 0,3-0,5 В. В момент времепереходит в режим хранения и хранит величину напряжения компенсации, которое в режиме измерения поступает на компенсационный вход усилителя 1. В момент времени t на вход элекнапример, с выхода пьезокварцевого датчика давления, который преобразуется В ток, интегрируемый конденсатого сигнала и имеет противоположный ему знак. После преобразования входного сигнала, перед очередным измепенсация тока смещения преобразователя заряда. При возникновении перегрузок, т.е. в моменты времени, когнапряжение в конце интервала времени определяется напряжением запирания эмиттерного перехода одного из

так как ключ 3 замкнут. Таким образом достигается надежная защита предусилителя 14 от перегрузок по

так как ключ 3 замкнут. Таким образом достигается надежная защита предусилителя 14 от перегрузок по

ни tj напряжение и ,j принимает низкий

уровень, а напряжение высокий 0 входу.

уровень, ключ 3 замыкается о В течение Благодаря введению резистора 7

интервала времени tj-t на управляю- с сопротивлением R -, выходной сигнал

щий вход блока 5 поступает сигнал высокого уровня, блок 5 находится в режиме слежения. Выходное напряжение усилителя 1 усиливается усилителем 4 и через блок 5 поступает на вход компенсации усилителя 1. Так как сопротивление утечки между затворами МДП- транзисторов 18 и 19 составляет десятки и сотни гигаом, то выходное напряжение иJ (фиг. 2д) преобразуется в ток, величина которого близка величине входного тока усилителя 1 и

устройства через интегрирующий конденсатор 2 и резистор 7 поступает

45 на вход предусилителя 14 и ослабляется в N раз, где ,/Ro, RO - сопротивление нелинейного резистора 10, причем RP является нелинейной функцией приложенного напряжения

50 (чем больше это напряжение, тем мень ше величина RO). Если выбрать соотношение N таким, чтобы напряжения отпирания р-п-переходов транзисторов 11 и 12 соответствовали (или непротивоположна ему по знаку. К концу значительно их превышали) уровням

интервала времени выходное напряжение усилителя 1 становится близким к нулевому уровню. Его величина не равна нулю за счет ошибки

входных сигналов, при которых прои ходит насыщение выходного каскада операционного усилителя 15, то пос ле исчезновения помехи, выходное н

статизма вследствие конечной величины коэффициента усиления усилителя 4 и за счет наличия напряжения смещения нуля усилителя 4. Однако при этом.результирутащий входной ток уси лителя I уменьшается в раз.

В момент времени t4 напряжение U и принимает низкий уровень, а блок 5

трометрического преобразователя зз- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ром 2. Выходное напряжение U усили- теля 1 пропорционально уровню входно- рением, проводятся повторньш сброс интегрирующего конденсатора 2 и ком- да выходной каскад усилителя 1 насы- щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного перехода одного из транзисторов 11 или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В,

переходит в режим хранения и хранит величину напряжения компенсации, которое в режиме измерения поступает на компенсационный вход усилителя 1. В момент времени t на вход электрометрического преобразователя зз- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ром 2. Выходное напряжение U усили- теля 1 пропорционально уровню входно рением, проводятся повторньш сброс интегрирующего конденсатора 2 и ком- да выходной каскад усилителя 1 насы- щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного перехода одного из транзисторов 11 или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В,

например, с выхода пьезокварцевого датчика давления, который преобразуется В ток, интегрируемый конденсатотрометрического преобразователя зз- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ром 2. Выходное напряжение U усили- теля 1 пропорционально уровню входно рением, проводятся повторньш сброс интегрирующего конденсатора 2 и ком- да выходной каскад усилителя 1 насы- щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного перехода одного из транзисторов 11 или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В,

го сигнала и имеет противоположный ему знак. После преобразования входного сигнала, перед очередным изметрометрического преобразователя зз- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ром 2. Выходное напряжение U усили- теля 1 пропорционально уровню входно рением, проводятся повторньш сброс интегрирующего конденсатора 2 и ком- да выходной каскад усилителя 1 насы- щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного перехода одного из транзисторов 11 или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В,

пенсация тока смещения преобразователя заряда. При возникновении перегрузок, т.е. в моменты времени, когтрометрического преобразователя зз- ряда поступает сигнал Q (фиг. 2е), ром 2. Выходное напряжение U усили- теля 1 пропорционально уровню входно рением, проводятся повторньш сброс интегрирующего конденсатора 2 и ком- да выходной каскад усилителя 1 насы- щается и нарушается цепь отрицательной обратной связи, входное напряжение предусилителя 14 ограничивается на уровне отпирания эмиттерного перехода одного из транзисторов 11 или 12, т.е. на уровне 0,6-0,7 В,

так как ключ 3 замкнут. Таким образом достигается надежная защита предусилителя 14 от перегрузок по

входу.

устройства через интегрирующий конденсатор 2 и резистор 7 поступает

45 на вход предусилителя 14 и ослабляется в N раз, где ,/Ro, RO - сопротивление нелинейного резистора 10, причем RP является нелинейной функцией приложенного напряжения

50 (чем больше это напряжение, тем меньше величина RO). Если выбрать соотношение N таким, чтобы напряжения отпирания р-п-переходов транзисторов 11 и 12 соответствовали (или невходных сигналов, при которых происходит насыщение выходного каскада операционного усилителя 15, то после исчезновения помехи, выходное напряжение устройства равно начальному уровню. Таким образом, введение резистора 7 позволяет повысить помехоустойчивость электрометрического преобразователя.

Введение конденсатора 6 пoз зoля- ет уменьшить амплитуду импульсных помех, поступающих с выхода усилителя 15, а также повысить устойчи- вость контура регулирования, включающего усилитель 1, делитель напряжения, вьтолнеиный на резисторах 8 и 9, и нелинейный резистор 10.

Выполнение предусилителя в виде комплементарной пары позволяет расширить динамический диапазон входных сигналов (т.е. расширить линейный участок работы предусилителя) и повысить помехоустойчивость в период на- чапьной установки преобразователя.

Формула изобретения

I, Электрометрический преобразова- тель заряда, содержащий электрометрический усилитель, выход которого подключен к выходу преобразователя и второй обкладке интегрирующего конденсатора, первая обкладка которого сое- динена с входом преобразователя, с выходом электрометрического усилителя соединен вход усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу блока слежения-хранения, вход управления которого соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к входу управления аналогового ключа, а вход - к входу Сброс преобразователя, де- литель напряжения, выход которого через нелинейный резистор соединен с информационным входом электрометричекого усилителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения по- мехоустойчивости.преобразователя по цепям питания, в него введены резистор и дополнительньш конденсатор, а электрометрический усилитель снабжен входом компенсации, которьш соединен с выходом блока слежения-хранения, резистор включен между входом преобразователя и входом электрометрическго усилителя, конденсатор включен меду первым входом делителя напряжения и общей шиной преобразователя, второй вход делителя напряжения соедине с выходом электрометрического усилителя, а выход через аналоговый ключ соединен с общей шиной преобразователя .

2. Преобразователь заряда по п 1 отличающийся тем, что электрометрический усилитель выполне на электрометрическом предусилителе и операционном усилителе, причем электрометрический предусилитель выполнен в виде интегральной схемьт, содержащей две комплементарные пары ЭДП-транзисторов, исток и подложка транзистора с каналом п-типа первой пары соединены с шиной источника положительного напряжения, исток и подложка транзистора с каналом р-типа первой пары соединены с шиной источника отрицательного напряжения, стоки транзисторов первой пары подключены к неинвертирующему входу опера- 1Д10ННОГО усилителя, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной преобразователя, а выхрд - к выходу электрометрического усилителя, затворы транзисторов первой и второй пар соединены с информационным входом электрометрического усилителя, стоки и истоки транзисторов с каналами п- и р-типов второй пары обье- динены и подключены к входу компенсации электрометрического усилителя, подложки этих транзисторов подключены соответственно к шинам источников положительного и отрицательного напряжения .