华东理工大学应用电子技术5.ppt

三. 简单的电荷放大器 形成电流:
电荷流动
iQ
VO R
C
d (Vo) dt
积分
假设在开始测量时, 电容上无电荷,
电荷放大器
此时: Vo 0
t 随着电荷流动的时间 :Vo(t) R iQ (1 e RC )
四. 实际考虑的情况 一个电荷放大器实质上就是负反馈放大器, 可以等效为下面的电路:
由于 Rio和Ao都比较大,
Ri RioRF RF Rio(1 Ao) 1 Ao
所以Ri 非常小, Ri≈0, 即虚短.
(2). 输入电阻对测量精度几乎没有影响.
微电流测量要求运放具有高的Rio和低的Ib.
场效应管 运放输入级
(具有高输入阻抗, 一般地108~1012Ω; 温度 特性差, 通常每上升8OC, Ib增加一倍.)
常用微电流测量电路
Vo (1 R1 ) VA (1 R1 )RFIi R1RF Ii
R2
R2
R1 // R2
由此可见, 该电路的增益非常高. 但同样要求 偏流Ib较小, 才能保证一定的精度.
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另外需要考虑的一些因素!
5.2 电荷放大器
一. 什么叫 电荷放大器? 为何要采用电荷放大器?
(1). 由于传感器的特性所决定;
(3). 为了得到必要的测量精度, CF的容量和时间稳定性要好. 实际电路中, 考虑到被测量值的大小, CF的容量做成可 选择的.
(4). 直流工作时, 电容相当于开路, 对电缆的噪声比较敏感, 放大器的零漂也比较大. 为了减小零漂, 提高放大器的 稳定性, 一般在反馈电容的两端并联一个电阻RF(1010~1014) 来提高直流反馈的稳定性.
其输出既不是电压, 也不是电流, 而是电荷; 其能量非常小, 不足以去推动负载. (2). 负载往往要靠电压量来驱动 具备以上功能的称为电荷放大器
二. 电荷放大器的特点 具有极高的输入阻抗, 极低的偏置电流.
因为电荷放大器所对应的信号源(传感器)的内阻非 常高, 输出信号又很微弱, 一般其输出电流仅 pA级. 另外, 通常意义下的高输入阻抗(1012Ω)放大电路是 无法使用.
双极型三极管 (输入阻抗低, 但其Ib随温度上升而略 微减小, 故具有良好的温度特性.)
所以要根据具体的测量源和测量环境 来决定采用哪一种运算放大器.
三. 常用的微电流测量电路
该电路要求 RF >> R1 // R2,
这样一来, 忽略了R1、R2的电流比.
此时 :VA Vo R2 RFIi R1 R2
电流放大型的优点:
电流放大型微电流测量电路
(1). 对于失调 电压Vos的影响已经大大削弱, 主要是和电流有关.
假设运放的开环增益为Ao, 输入阻抗为Rio, 通常情况下:
所以该电路的输入电阻为:
Ri
RF Rio 1 Ao
RioRF
RF Rio RF Rio(1 Ao)
1 Ao
Rio RF
R2
R3
若存在失调电流Ib:
R4
Vi R1(Ii Ib)
存在误差
而此时Vo (1 R3 ) Vi R4
所以这种电路就要求 Ib << Ii 才能保持一定的精度.
如果Ii 0 ~ 10A 若要求精度达到0.5%
则Ib Ii 0.5% R1 RS
此时Vi 就非常小. 由于Vi 很小, 那么失调电压又要对输出电压Vo产生 明显的影响, 故设计电路时要综合考虑.
此时 :
Vo Q CF
由此可知: (1). 电荷放大器的输出电压仅于输入电荷量和反馈电容有关, 若保持CF数值不便, 输出电压正比于输入电荷量.
(2). 当(1+K)CF >> 10(Ca+Cc+Ci) 时, 可认为传感器的灵敏度与 电缆电容无关, 更换电缆或使用较长的电缆时, 不用重新 校正传感器的灵敏度.
K
Ca Ra
Cc Ri
Ci
CF`
RF`
Q
Vi
Vo
当放大器的开环增益和输入电阻、反馈电阻相当大时,
输出电压 :Vo
KQ
(1 K )CF Ca Cc Ci
其中:
Ca 传感器的电容 Cc 电缆电容 Ci 放大器输入电容 CF 放大器反馈电容
当K足够大时,
(1 K )CF Ca Cc Ci
通常同相型电路是不适合使用的.
2. 反相放大型
Vi (R1 // RS) Ii (虚地关系)
(失调电压 Vos 0, 偏流Ib 0时)
Vo RF Vi RSRF Ii
R1
RS R1
反相放大型电压微电流测量电路
该电路相当于将输入电流分割成两部分, 一部分流过RS, 一部分流过R1和RF形成测量结果Vo.
一般来说, 对级别不是很高的微电流源产生的电流进行测量时, 通常把它转换为电压量. 但是也有例外的.
所以, 从基本原理上来看, 分为两种方法:
电流放大型 电压放大型
一. 电压放大型微电流测量
1. 同相放大型
Ii Vi Ib
+
Vo
若设RS = ∞, 运放作为理想,
Vi R1 Ii
Is Rs R1 _
例如 : RS 500 K, 要求精度 0.1% 则: R1 500
如果R1太小, 又会受到Vos的影响. 所以此电路的R1既不能太大, 也不能太小,而要综合考虑.
总结:
电压型微电流测量电路对运放的性能要求非常高.
二. 电流放大型微电流测量
此时:Vo RFIF 而: IF Ii Ib
精度要求: Ii << Ib
5.1 微电流测量 5.2 电荷放大器 5.3 峰值测量 5.4 相位测量 5.5 应变测量 5.6 位移测量 5.7 采样/保持(S/H)器 5.8 比较器 5.9 质量测量
5.1 微电流测量
电流源
硅光电池 PH计
高内阻的电流源 汞电计 + 参考电极
什么是微电流? 多少小的电流才够得上微电流? (1). 似乎现在微安还算不上微电流; (2). 目前极限的微电流测量水平可达到 – 17次方数量极(直流); (3). 低内阻信号源比较简单(转换成电压源); (4). 高内阻信号源要求相对较高.
但该电路同样对于偏流Ib的影响也很敏感, 影响其精度, 所以一般适用于>100μA的微电流测量场合.
缺点: 输入电阻Ri = RS // R1,
对于理想电流源: RS = ∞, Ri = R1, 不管R1的大小, 对测量精度没有影响;
对于非理想电流源: 其RS往往随温度或电流源Ii 的变化而变化, 所以R1越大, 精度就越差.