Электрoметрический усилитель

При обнаружении ядерных частиц часто бывает нужна схема, являющаяся зарядочувствительным усилителем (преобразователем заряда в напряжение), у которой выходное напряжение пропорционально количеству заряда, поступившего на вход. В таком случае очень полезен интегратор на основе ОУ: входной резистор убирается, и входная клемма напрямую соединяется с инвертирующим входом (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Электрометрический усилитель

Вследствие большого входного сопротивления ОУ ток, текущий в инвер­тирующий вход, пренебрежимо мал, так что входной ток i, являющийся следствием натекания заряда q, течет только в конденсатор С. Таким обра­зом, заряд q переносится на конденсатор С.

Но Е – мнимая земля, так что разность потенциалов на конденсаторе С равна uout. Поэтому при наличии заряда q на конденсаторе С имеем

(2.3)

Следовательно, выходное напряжение пропорционально заряду, кото­рый притек на вход. Добавление схемы сброса, например, такой, как схема на полевом транзисторе на рис. 2.5, позволяет суммировать заряд на про­тяжении определенного интервала времени. Другой вариант состоит во вклю­чении резистора R параллельно с конденсатором С, чтобы обеспечить усло­вия для разряда. В этом случае поступление на вход заряда q приведет к появлению на выходе импульса с амплитудой в пике q/С, и это напряже­ние затем будет спадать с постоянной времени RC. Следует позаботиться о том, чтобы постоянная времени была выбрана малой по сравнению с ин­тервалом между импульсами, потому что в противном случае конденсатор С не будет успевать разряжаться в достаточной степени к моменту прихода очередного импульса, и импульсы будут накладываться один на другой. Это может завести усилитель в режим ограничения, и импульсы будут теряться.

Может показаться не очевидным, зачем вообще нужен ОУ в преобразовате­ле заряда в напряжение. Простой конденсатор, у которого одна из пластин заземлена, будет вполне хорошо работать и на нем будет воз­никать напряжение u = q/С. Достоинство электрометрического усилителя, приведенного на рис. 2.7, состоит в том, что входной сигнал поступает не­посредственно в точку мнимой земли. Входная цепь неминуемо содержит пара­зитную емкость, которая не постоянна: она меняется при изменении длины кабеля и даже при изменении внутренней емкости детектора частиц. Эта ем­кость добавлялась бы к «известной» емкости конденсатора, преобразующего заряд в напряжение, и могла бы вызвать ошибки. А в случае преобразователя заряда в напряжение с мнимой землей паразитная емкость поглощается малым входным сопротивлением мнимой земли. Другое достоинство схемы с мнимой землей заключается в том, что сам источник сигнала, действующий на входе, «не видит» импульс выходного напряжения, так как этот последний появляется по другую сторону мнимой земли. Если бы, например, к выходу твердотельного детектора частиц был непосредственно подключен конденсатор, то разность потенциалов на нем могла повлиять на напряжение смещения детектора и нарушить его линейность.