Усилитель заряда — это электронный интегратор тока , который выдает выходное напряжение, пропорциональное интегрированному значению входного тока или общему введенному заряду.
Усилитель компенсирует входной ток с помощью опорного конденсатора обратной связи и создает выходное напряжение, обратно пропорциональное значению опорного конденсатора, но пропорционально общему входному заряду, протекающему в течение указанного периода времени. Таким образом, схема действует как преобразователь заряда в напряжение. Коэффициент усиления схемы зависит от номиналов конденсатора обратной связи.
Усилитель заряда был изобретен Уолтером Кистлером в 1950 году.
Усилители заряда обычно изготавливаются с использованием операционного усилителя или другой полупроводниковой схемы с высоким коэффициентом усиления и конденсатором отрицательной обратной связи C f .
В инвертирующий узел поступает входной сигнал заряда q in и заряд обратной связи q f с выхода. По законам цепи Кирхгофа они компенсируют друг друга.
Входной заряд и выходное напряжение пропорциональны с обратным знаком. Конденсатор обратной связи C f устанавливает усиление.
Входное сопротивление схемы практически равно нулю из-за эффекта Миллера . Следовательно, все паразитные емкости (емкость кабеля, входная емкость усилителя и т. д.) практически заземлены и не влияют на выходной сигнал. [1]
Резистор обратной связи R ф разряжает конденсатор. Без R f коэффициент усиления по постоянному току был бы очень высоким, так что даже небольшой входной постоянный ток смещения операционного усилителя выглядел бы сильно усиленным на выходе. R f и C f задают нижний предел частоты усилителя заряда.
Из-за описанных эффектов постоянного тока и ограниченного сопротивления изоляции в практических усилителях заряда схема не подходит для измерения статических зарядов. Однако высококачественные усилители заряда позволяют проводить квазистатические измерения на частотах ниже 0,1 Гц. Некоторые производители также используют переключатель сброса вместо R f для ручного разряда C f перед измерением.
Практические усилители заряда обычно включают в себя дополнительные каскады, такие как усилители напряжения, регулировку чувствительности преобразователя, фильтры верхних и нижних частот, интеграторы и схемы контроля уровня.
Сигналы заряда на входе усилителя заряда могут достигать нескольких fC (фемтокулонов = 10–15 Кл ). Паразитным эффектом обычных коаксиальных сенсорных кабелей является сдвиг заряда при изгибе кабеля. Даже небольшое движение кабеля может вызвать значительные сигналы заряда, которые невозможно отличить от сигнала датчика. Для минимизации подобных эффектов разработаны специальные малошумящие кабели с токопроводящим покрытием внутренней изоляции.
Общие применения включают усиление сигналов от таких устройств, как пьезоэлектрические датчики и фотодиоды , в которых выходной заряд устройства преобразуется в напряжение.
Усилители заряда также широко используются в приборах, измеряющих ионизирующее излучение , таких как пропорциональные счетчики или сцинтилляционные счетчики , где необходимо измерить энергию каждого импульса обнаруженного излучения, вызванного ионизирующим событием. Интегрирование импульсов заряда от детектора дает преобразование энергии входного импульса в пиковое выходное напряжение, которое затем можно измерить для каждого импульса. Обычно это происходит в схемах дискриминации или многоканальном анализаторе .
Дальнейшие применения находятся в схемах считывания изображений ПЗС- матриц и матриц плоских рентгеновских детекторов. Усилитель способен преобразовать очень небольшой заряд, хранящийся внутри пиксельного конденсатора, в уровень напряжения, который можно легко обработать. В некоторых усилителях звукоснимателей для гитары также используются усилители заряда.
К преимуществам усилителей заряда относятся:
