Из данной статьи вы узнаете об усилителях заряда, которые используются для преобразования выходного заряда пьезоэлектрического датчика в полезный сигнал напряжения.
Используя пьезоэлектрический элемент, пьезоэлектрический акселерометр создает выходной заряд, пропорциональный приложенному ускорению. Выходной заряд – это тип сигнала, который трудно измерить, поскольку он может постепенно уменьшаться со временем из-за сопротивления утечки. Кроме того, применяя типичные чувствительные элементы, используемые в пьезоэлектрических акселерометрах, эти датчики производят небольшое количество заряда в диапазоне десятков или сотен пикокулон на ньютон. В результате часто требуется схема формирования сигнала для успешного извлечения информации об ускорении без рассеивания заряда. Для этого требуются каскады усиления с большим входным сопротивлением, чтобы предотвратить утечку произведенного заряда через входное сопротивление усилителя, которое параллельно чувствительному элементу.
Фактически, хотя пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году Пьером и Жаком Кюри, он не имел практического применения вплоть до 1950-х годов из-за отсутствия усилителей с достаточно высоким входным сопротивлением. Усилитель заряда является предпочтительной технологией при обработке выходного сигнала пьезоэлектрического датчика. Усилители заряда преобразуют заряд, производимый датчиком, в полезный сигнал напряжения.
Для начала на следующем рисунке представлены две эквивалентные электрические схемы, которые можно использовать для моделирования пьезоэлектрического датчика.
Пьезоэлектрический чувствительный элемент состоит из диэлектрического материала, помещенного между двумя электродами. При приложении механической силы датчик производит некоторый заряд. Имея это в виду, пьезоэлектрический акселерометр можно смоделировать как конденсатор, который заряжается при ускорении. Это использование приводит к модели схемы на рисунке а. В этой эквивалентной схеме источник заряда qp расположен параллельно емкости датчика Cp. Резистор Rp моделирует сопротивление изоляции датчика, которое создает путь утечки произведенного заряда. На рисунке b, с другой стороны, изображена другая модель схемы, в которой используется источник напряжения, включенный последовательно с конденсатором датчика, чтобы учесть влияние произведенного заряда. Выходное напряжение пьезоэлектрического чувствительного элемента с разомкнутой цепью равно произведенному заряду qp, деленному на емкость Cp. На рисунке b Veq используется для создания напряжения холостого хода датчика. Наконец, на рисунке с показан типичный схематический символ пьезоэлектрического датчика.
Базовая конфигурация усилителя заряда показана на следующем рисунке.
На этом рисунке конденсатор CC + CIN моделирует емкость кабеля плюс входную емкость усилителя заряда. Когда датчик подвергается ускорению, заряд, создаваемый датчиком, qp, появляется на конденсаторах Cp и CC + CIN. Выходное напряжение датчика пытается изменить потенциал инвертирующего входа ОУ. Однако мы знаем, что из-за механизма отрицательной обратной связи и высокого коэффициента усиления операционного усилителя инвертирующий вход операционного усилителя остается на виртуальной земле.
Операционный усилитель фактически передает некоторый электрический заряд на инвертирующий вход, чтобы обнулить выходное напряжение датчика и удерживать инвертирующий вход на виртуальной земле. Этот заряд равен заряду датчика и имеет противоположную полярность. Операционный усилитель обеспечивает этот заряд через цепь обратной связи, т. е. за счет комбинации RF и CF. При правильно сконструированном усилителе заряда RF намного больше импеданса CF в интересующем диапазоне частот. Следовательно, CF является доминирующим элементом в цепи обратной связи, и заряд, который усилитель передает на инвертирующий вход, обеспечивается через конденсатор обратной связи. Другими словами, усилитель заряда компенсирует электрический заряд, создаваемый датчиком, qp, равным зарядом противоположной полярности в конденсаторе обратной связи CF. Таким образом, выходное напряжение, равное напряжению на CF, может быть найдено следующим образом:
В случае усилителя заряда напряжение на датчике в идеале равно нулю. Следовательно, ток не может протекать через какое-либо сопротивление изоляции параллельно датчику, такое как сопротивление изоляции кабеля или сопротивление утечки датчика Rp. Таким образом, заряд, создаваемый датчиком, не рассеивается. Кроме того, выходное напряжение зависит только от конденсатора обратной связи, и, следовательно, емкость датчика и кабеля не может изменить коэффициент усиления схемы.
Резистор обратной связи RF обеспечивает путь постоянного тока для инвертирующего входа усилителя и задает напряжение постоянного тока этого узла. Однако добавление этого резистора может ограничить точность измерения постоянного (или очень низкочастотного) сигнала ускорения. Как мы обсуждали выше, заряд, создаваемый датчиком, передается на конденсатор обратной связи через работу усилителя заряда. Этот заряд может постепенно стекать через резистор обратной связи, включенный параллельно CF. Фактически квазистатическое поведение усилителя определяется параметром постоянной времени:
В контексте усилителей заряда квазистатическое (или почти статическое) поведение относится к измерению сигналов, которые остаются постоянными в течение относительно длительного времени. Для измерения очень низкочастотных сигналов постоянная времени должна быть максимальной. Чтобы лучше понять влияние параметра постоянной времени на наши измерения, рассмотрим формы сигналов, показанные на следующем рисунке.
На этом рисунке верхняя кривая показывает заряд, создаваемый датчиком, а нижняя кривая показывает выходной сигнал усилителя заряда. В этом примере предполагается, что форма сигнала заряда имеет фиксированное значение постоянного тока вместе с некоторыми высокочастотными компонентами. Высокочастотные составляющие входа появляются на выходе, как и ожидалось. Однако значение постоянного тока на выходе, которое изначально близко к значению постоянного тока на входе, постепенно приближается к нулю вольт. Эта тенденция связана с тем, что статический заряд, накопленный в CF, уходит через RF.
Как видите, через временной интервал в один τ значение постоянного тока на выходе снижается до 37% от его начального значения. С некоторыми типами усилителей заряда можно переключаться между различными значениями резистора обратной связи, чтобы настроить параметр постоянной времени в зависимости от низкочастотного содержания сигнала ускорения.
В качестве альтернативы, некоторые усилители заряда включают переключатель сброса вместо резистора обратной связи, как показано на следующем рисунке, что дает нам максимальное значение постоянной времени.
Перед проведением измерения переключатель включают для разрядки конденсатора обратной связи и установки постоянного напряжения инвертирующего входа ОУ. Затем переключатель выключается, чтобы начать фазу измерения, как показано на следующем рисунке.
Опять же, верхняя кривая показывает заряд, производимый датчиком, а нижняя кривая — выходной сигнал усилителя заряда. Обратите внимание, что когда переключатель включен, выходной сигнал равен нулю. В результате переключатель сброса также фиксирует нулевую точку для последующего измерения. Хотя включение переключателя сброса максимизирует постоянную времени, это делает схему восприимчивой к явлению дрейфа. Дрейф относится к изменению выходного сигнала усилителя заряда, которое происходит в течение определенного периода времени и не вызвано изменением измеряемого физического параметра (ускорение в нашем обсуждении). Дрейф вызван несколькими различными неидеальными эффектами, такими как входной ток смещения и напряжение смещения операционного усилителя. Чтобы продолжить это обсуждение, следует более подробно оценить влияние резистора обратной связи на низкочастотную характеристику усилителя и поведение дрейфа.
© digitrode.ru