Усилитель заряда

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 45 С 01 К 29/24 ТЕНИЯ Е ИЗ Н ектриелич ен- вяГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1. Левшина Е.С. и др. Элческие измерения физических вЛ., Энергоиэдат. 1983, с. 116,рис. 6-6,г.2. Авторское свидетельство Рпо заявке У 3513302/18-21,кл. С 01 К 29/12, 1982.(54) (57) 1. УСИЛИТЕЛЬ ЗАРЯДА, содержащий операционный электрометрический усилитель, между выходом и ин вертирующим входом которого параллельно включены масштабирующий конденсатор и ключ, снабженный металлическим лепестком, разделяющим.изолятор ключа на входную и выходнуюсекции, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностипреобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при работе в затрудненных климатических,усло.виях, в него введен электрометрический повторитель напряжения, вход которого подключен к инвертирующемувходу операционного электрометрического усилителя, а выход - к металлическому лепестку ключа.2. Усилитель по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что ойерациоиный электрометрический усилительсостоит из последовательно включен-:ных входного дифференциального операционного усилителя с злектрометрическими каскадами на обоих входахидополнительного усилителя, охвачных цепью отрицательной обратной с зи, включающей в себя бессдвиговыйдифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход КЬторогочерез один из резисторов соединенс шиной нулевого потенциала, а выхочерез другой резистор и переключатеподключен к шине нулевого потенциали запоминающему конденсатору, соединенному потенциальной обкладкойс неинвертируференциальногля. ющим входом входного ди о операционного усилите 3. Усилитель по и. 1, о т л и - ,ч а ю щ и й с я тем, что электромет.дфоп рический повторитель напряжения сос тоит из двух истоковых повторителей, бессдвигового дифференциального операционного усилителя и выходного дифференциального операционного усилителя, причем инвертирующий вход послед него через первый резистор соединен с его выходом и через второй резистор - с выходом первого истокавого повторителя, а неинвертирующий вход ; через третий резистор подключен к вьг ходу второго истокового повторителя, 4 аЬ являющегося входным, с выходом выход. ного дифференциального операционного усилителя через четвертый резистор соединен неинвертирующий вход бессдвигового дифференциального операционного усилителя, выход которого через пятый резистор и переключатель, а подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему конденсатору, сОединенному потенциальной обкладкой с входом первого истокового повторителя, а инвертирующий вход через шестой резистор - к вьмоду операционного,электрометрического усилителя.1 ",148Изобретение относится к электро- измерительной технике и предназначено для использования при согласовании пьезоэлектрических кварцевых датчиков с регистрирующими приборами, а такжепри реализации измерительных интеграторов входного тока нанон микроамперного диапазона со временем регистрации порядка нескольких минут. 10Известен усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, в цепи отрицательной обратной связи которого параллельно включены масштабирующий конденсатор и ключ начальной 15 установки выходного напряжения Я,Недостатком известного устройства является большая погрешность преобразования вхбдных квазистатических зарядов, обусловленная пара зитной проводимостью ключа.Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является усилитель заряда, содержащий операционный электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены масштабирующий конденсатор и ключ, снабженный металлическим лепестком, ЗР разделяющим изолятор ключа на входную и выходную секции и подключенным к выходу источника опорного напряжения 2 .В указанном устройстве уровеньФопорного напряжения устанавливается оператором или автоматически непосредственно перед началом измеритель.ного эксперимента в моменты времени, когда ключ оказывается в замкнутом состоянии. Уровень опорного напряжения как по абсолютной величине, так и по полярности является весьма близким к начальному уровню напряжения на 45 выходе усилителя заряда. Вследствие этого, а также того,что во время измерительной стадии работы устройст. ва напряжение на инвертирующем входе операционного электрометрического 50 усилителя на три - четыре порядка меньше текущих значений выходного напряжения усилителя заряда, достигается существенное уменьшение составляющей наразитного входного тока, 55 обусловленного конечным значением сопротивлейия изоляции ключа, Однако полного подавления упомянутой 003паразитной составляющей на протяжении всей длительности измерительнойстадии работы не может быть полученопоскольку подстройка выходного напряжения опорного источника до уровня напряжения на инвертирующем входе усилителя заряда производитсялишь в течение предварительной стадии работы устройства. В течениеже измерительной стадии работы напряжение на инвертирующем входе усилителя получает относительно зафиксированного начального уровня приращение, равное по модулю отношениювеличины выходного напряжения уси-лителя заряда к значению коэффициента усиления по напряжению у операционного электрометрического усилителя. Данное приращение потенциалаинвертирующЕго входа усилителя приводит к появлению паразитной составляющей входного тока пикоамперногодиапазона, Этот ток заряжает масштабирующий конденсатор усилителя заряда, в результате чего его выходноенапряжение изменяется во времениприблизительно по линейному закону,что приводит к искажению формы регистрируемого сигнала, обусловливаябольшую погрешность преобразованияи запоминания входного квазистатичес.кого заряда нано- и пикокулоновогодиапазонов 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, содержащийоперационный электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующнмвходом которого параллельно включенымасштабирующий конденсатор и ключ,снабженный металлическим лепестком,разделяющим изолятор ключа на входную и выходную секции, введен элекФрометрический повторитель напряжения,вход которого подключен к инвертирующему входу операционного электрометрического усилителя, а выходк металлическому лепестку ключа.Операционный электрометрическийусилитель состоит из последователь.но включенных входного дифференциального операционного усилителя с электрометрическими каскадами на обоих40 входах и дополнительного усилителя, охваченных цепью отрицательной обратной связи, включающий в себя бессдвиговый дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого через один из резисторов соединенс шиной нулевого потенциала, а выход через другой резистор и переключатель подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему 1 О конденсатору, соединенному потенциальной обкладкой с непнвертирующим входом входного дифференциального операционного усилителя.Электрометрический повторитель 15 напряжения состоит из двух истоковых повторителей, бессдвигового дифферен. циального операционного уСилителя и выходного дифференциального операционного усилителя, причем инверти рующий вход последнего через первый резистор соединен с его выходом и через второй резистор - с выходом первого истокового повторителя, а неинвертйрующий вход через третий 25 резистор подключен к выходу второго истокового повторителя, являющегося входным, с выходом вькодного дифференциального операционного усилителя через четвертый резистор соединен 30 неинвертирующий вход бессдвигового дифференциального операционного усилителя, выход которогб через пятый резистор и переключатель подключен к шине нулевого потенциала и запоминающему конденсатору-, соединенному потенциальной обкладкой с входом первого истокового повторителя, а инвертирующий вход через шестой резистор - к выходу операционного электрометрического усилителя.На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого усилителя заряда.Усилитель заряда содержит операционный электрометрический усилитель 1, между инвертирующим входом которого, соединенным с входным зажимом 2 устройства, и выходом, соединенным с выходным зажимом 3 устройства, параллельно включены масштабирующий конденсатор 4 и ключ 5, снабженный металлическим лепестком 6, разделяющим изоляционную платуключа на входную 7 и выходную 8 секции. Между выходным зажимом 3 устрой. ства и инвертирующим входом 9 уси- лителя 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 1. При этом неинвертирующий вход усилителя 11, а также другая обкладка конденсатора 14 подключена к шине 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 масштабирующими резисторами 19 и 20 и ис" токовыми повторителями 21 и 22, выполненными на ИОП-транзисторах. Между зажимом 17 и затвором транзистора 22 включена цепь отрицательной обратной связи, включающая в себя бессдвиговый дифференциальный операционный усилитель 23 (имеющий пренебрежимо малые значения ЭДС смещения и дрейфа), резистор 24, переключатель 25 и запоминающий конденсатор 26. При этом неинвертирующий вход усилителя 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 операци,онный усилитель 27 с электрометри:ческими 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 верхнемположении, т.е. цепи обратной связи усилителя 1 и повторителя 16 замкнуты, При этом масштабирующий конденсатор 4 усилителя 1 оказывается полностью разряженным, а входное и выходное 5 напряжения усилителя 1 устанавливаются на нулевом уровне в результате действия цепи 10, на входе которой применен бессдвиговый дифференциальный 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 сигнала обратной связи, создаваемого бессдвиговым дифференциальным операционным усилителем 23, усиливающим разность напряжений на зажимах 3 20 и 17, и запоминаемого на конденсато-" ре 26В результате потенциал металлического лепестка 6 в течение рассматриваемой предварительной стадии работы усилителя заряда практически не отличается от нуля и от потенциала инвертирующего входа 2 усилителя 1, а следовательно, отсутствует составляющая входного тока усилителя 1 даже при 30 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 шиной 15, как показано на схеме. При этомизмеряемый заряд с пьезоэлектрического датЧика поступает,на зажим 2 и компенсируется зарядом масштабирующего конденсатора 4, определяя тем самьв величину напряжения на зажиме 3. Уровень напряжения на зажиме 2 (относительно шины 15) по лучает приращение, по сравнению с выходным напряжением уменьшенное в коэффициент усиления операционного электрометрического усилителя 1. Точно такое же приращение напряжения имеет место и на зажиме 17 электрометрического повторителя 16, вследствие чего разность потенциалов между зажимом 2 и металлическим лепестком б поддерживается практичесс ки равной нулю в любой текущий момент времени, поэтому не возникает параэитная составляющая входного тока угилителя 1 даже несмотря на конечное значение сопротивления изоляции входной секции 7 ключа 5.Предлагаемый усилитель заряда может быть выполнен и в многопредель ном 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 ва- риант 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 электро- метрический 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 выходному зажиму 3Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повы- шении точности преобразования квази- статического заряда в выходное напря. жение при длительнбстях фиксации выходного сигнала порядка нескольких минут. Особенно значительный (в несколько раз) выигрыш в повышении точности измерения квазистатических зарядов по сравнению с известными11480037 ВНИИПИ Заказ 157.1/38 Тмраа 748 ПодписиФилнаи ШШ фйвлат", г.Узгород, ул.Проектвае усилителями достигается при работев затрудненных климатических условиях, например в условиях повышеннойвлажности, и при измерении электрических зарядов нано- и пикокулонового диапазонов, что характерно, например, при использовании пьезоэлектрических датчиков силы, ускорения, давления газов, температуры,изготовленных из кварца.