Усилитель заряда

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(5I) G 01 R 29/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3662371/24-21 (22) 11.11.83 (46) 30.03.85. Бюл. ¹ 12 (72) А. Ф. Терещенко (53) 621.317.745(088.8) (56) 1. Левшина Е.С. и др. Электрические измерения физических величин.

Л., Энергоиэдат. 1983, с. 116, рис. 6-6,г.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке ¹ 3513302/18-21, кл. G 01 R 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 выходную секции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при ра6оте в затрудненных климатических,условиях, в него введен электрометрическнй повторитель напряжения, вход которого подключен к инвертирующему входу операционного электрометрического усилителя, а выход — к металлическому лепестку ключа.

2. Усилитель по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что ойерациоиный электрометрический усилитель состоит из последовательно включен-: ных входного дифференциального операционного усилителя с злектрометрическими каскадами на обоих входах и дополнительного усилителя, охваченных цепью отрицательной обратной связи, включающей в себя бессдвиговый дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход кЬторого 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 диф. ференциального операционного усилите-. ля.

3. Усилитель по и. 1, о т л и—, ч а ю шийся тем, что электрометрический повторитель напряжения состоит из двух истоковых повторителей, бессдвигового дифференциального операционного усилителя и выходного дифференциального операционного усилителя, причем инвертирующий вход последнего через первый резистор соединен с его выходом и через второй резистор — с выходом первого истокавого повторителя, а неинвертирующий вход ; через третий резистор подключен к вы. ходу второго истокового повторителя, 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 . 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.

003 ния (2f .

1 ";148

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при согласовании пьезоэлектрических кварцевых датчиков с регистрирующими приборами, а также при реализации измерительных интеграторов входного тока нанон микроамперного диапазона со временем регистрации порядка нескольких минут . f0

Известен 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 устройст ва является большая погрешность преобразования входных квазистатических зарядов, обусловленная пара- уц 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 вход I ную и выходную секции и подключенным к выходу источника опорного напряжеВ указанном устройстве уровень

1 опорного напряжения устанавливается оператором или автоматически непосредственно перед началом измерительного 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 уро»ю напряжения на 45 выходе усилителя заряда. Вследствие этого, а также того,что во время измерительной стадии работы устройства напряжение на инвертирующем входе операционного электрометрического 50 усилителя на три — четыре порядка меньше текущих значений выходного напряжения усилителя заряда, достигается существенное уменьшение составляющей паразитного входного тока, 55 обусловленного конечным значением сопротивлейия изоляции ключа, Однако полного подавления упомянутой паразитной составляющей на протяжении всей длительности измерительной стадии работы не может быть получено поскольку подстройка выходного напряжения опорного источника до уровня напряжения на инвертирующем 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 уси- лителя 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 инвертирующнм входом которого параллельно включены масштабирующий 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 выход к металлическому лепестку ключа.

Операционный электрометрический усилитель состоит из последователь.но включенных входного дифференциального операционного усилителя с электрометрическими каскадами на обоих

1148003

40 входах и дополнительного усилителя, охваченных цепью отрицательной обратной связи, включающий 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 10 конденсатору, соединенному потенциальной обкладкой с непнвертирующим входом входного дифференциального операционного усилителя.

Электрометрический повторитель 15 напряжения состоит из двух истоковых повторителей, бессдвигового дифференциального операционного усилителя и выходного дифференциального операционного усилителя, причем инверти- 20 рующий вход последнего через первый резистор соединен с его выходом и через второй резистор — с выходом первого истокового повторителя, а неинвертирующий вход через третий 2S резистор подключен к выходу второго истокового повторителя, являющегося входным, с выходом выходного 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 плату ключа.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 истоковыми 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 sa 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 верхнем

1148003 положении, т.е. цепи обратной связи усилителя 1 и повторителя 16 замкнуты.

При этом масштабирующий кбнденсатор 4 усилителя 1 оказывается полностью разряженным, а входное и выходное 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 26 °

В 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 З0 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 этом измеряемый заряд с пьезоэлектрического датЧика поступает,на зажим 2 и компенсируется зарядом масштабирующего конденсатора 4, определяя тем самьм величину напряжения на зажиме 3. Уровень напряжения на зажиме 2 (относительно шины 15) по- 4> 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 вариант включения пьезоэлектрического датчика между зажимом 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 некото1 рых случаях реализации усилителя заряда оказывается допустимым подключение инвертирующего входа дифференциального усилителя 23 к шине 15, а не к выходному зажиму 3..

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повы- шении точности преобразования квазистатического заряда в выходное напряжение при длительнбстях фиксации выходного сигнала порядка нескольких минут. Особенно значительный (в несколько раз) выигрыш в повышении точности измерения квазистатических зарядов цо сравнению с известными

1 148003

° 7

ВНИИПИ Зю аэ 1571/38 Тмраа 748 Подписное

Филыаи ШШ "Швеат", r.Ужгород, ул.Проектная, 4 усилителями достигается при работе в затрудненных климатических- условиях, например в условиях повышенной влажности, и при измерении электрических зарядов нано- и пикокулонового диапазонов, что характерно, например, при использовании пьезоэлектрических датчиков силы, ускорения, давления газов, температуры, изготовленных из кварца.