Усилитель заряда — это электронный интегратор тока , который вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное интегрированному значению входного тока или общему инжектированному заряду.
Усилитель компенсирует входной ток с помощью опорного конденсатора обратной связи и выдает выходное напряжение, обратно пропорциональное значению опорного конденсатора, но пропорциональное общему входному заряду, протекающему в течение указанного периода времени. Таким образом, схема действует как преобразователь заряда в напряжение. Коэффициент усиления схемы зависит от значений конденсатора обратной связи.
Усилитель заряда был изобретен Вальтером Кистлером в 1950 году.
Усилители заряда обычно строятся с использованием операционного усилителя или другой полупроводниковой схемы с высоким коэффициентом усиления и конденсатором отрицательной обратной связи C f .
В инвертирующий узел поступает входной зарядовый сигнал q in и обратный заряд q f с выхода. Согласно законам цепи Кирхгофа они компенсируют друг друга.
Входной заряд и выходное напряжение пропорциональны с обратным знаком. Конденсатор обратной связи C f задает усиление.
Входное сопротивление схемы практически равно нулю из-за эффекта Миллера . Следовательно, все паразитные емкости (емкость кабеля, входная емкость усилителя и т. д.) фактически заземлены и не оказывают никакого влияния на выходной сигнал. [1]
Резистор обратной связи R f разряжает конденсатор. Без R f усиление постоянного тока было бы очень высоким, так что даже крошечный входной постоянный ток смещения операционного усилителя казался бы сильно усиленным на выходе. R f и C f устанавливают нижний предел частоты усилителя заряда.
Из-за описанных эффектов постоянного тока и конечных сопротивлений 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 быть всего лишь несколько fC (фемтокулонов = 10 −15 Кл). Паразитным эффектом обычных коаксиальных сенсорных кабелей является сдвиг заряда при изгибе кабеля. Даже небольшое движение кабеля может привести к появлению значительных сигналов заряда, которые невозможно отличить от сигнала датчика. Для минимизации таких эффектов были разработаны специальные малошумящие кабели с проводящим покрытием внутренней изоляции.
Распространенные области 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 пропорциональный счетчик или сцинтилляционный счетчик , где необходимо измерить энергию каждого импульса обнаруженного излучения, вызванного ионизирующим событием. Интеграция импульсов заряда от детектора дает преобразование энергии входного импульса в пиковое выходное напряжение, которое затем можно измерить для каждого импульса. Обычно это затем поступает в схемы дискриминации или многоканальный анализатор .
Дальнейшие применения — в считывающей схеме ПЗС-камер и плоских рентгеновских детекторных матрицах. Усилитель способен преобразовывать очень малый заряд, хранящийся в пиксельном конденсаторе, в уровень напряжения, который можно легко обработать. Некоторые усилители звукоснимателей для гитар также используют усилители заряда.
Преимущества усилителей заряда включают в себя:
