193403. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés főleg töltésmennyiségek feszültség- vagy áramjellé alakítására
1 193403 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés főleg töltéserősítőkhöz, mely alkalmas például kapacitív elven működő rezgésérzékelők, emissziós érzékelők vagy nyomásérzékelők töltésmennyiségének feszültség vagy áramjellé alakítására. A szakirodalomból ismert, hogy a töltéserősítő olyan elektronikus készülék, amely egy érzékelő részét képező piezoelektromos kristályon vagy más módon keletkezett töltéssel arányos kimeneti feszültséget vagy áramot szolgáltat, tekintet nélkül a jelforrás kapacitásával párhuzamosan kapcsolódó parazita kapacitásokra. Tekintsük át a szakirodalomból ismert töltéserősítők sajátosságait. Az 1. ábra szerinti elvi alapkapcsolásban alkalmazott E műveleti erősítővel szemben támasztott alapkövetelmény, hogy a bemenő árama elhanyagolhatóan kicsi, és az erősítési tényezője legalább 1:100000, azaz közel végtelennek tekinthető legyen. Ebben az esetben az 1. ábra olyan negatív visszacsatolt műveleti erősítő, amelynél az előrevezető ág impedanciája __1___ XE (Cl + C2)p ’ a visszavezető ág impedanciája Xv = > C3-p és a kimenő feszültsége pedig az (1) összefüggés szerint írható fel: Ü2-U1 -JO—.-01 iSi-tÇ» (6) (cT^c^Tp Figyelembe véve, hogy (Cl-j-C2) = 7^ az (1) kifejezés a töltéserősítők (2) szerinti alapegyenletévé alakítható át: _____R1___ u2 = -ui nzooi „ p(C1 + C2) A (3) összefüggés határértéke lim p-?-ob esetén megegyezik a (2) összefüggéssel. A (3) kifejezés alapján megállapítható, hogy- minél kisebb a C3 visszacsatoló kondenzátor értéke, annál nagyobb a töltéserősítő érzékenysége,- minél nagyobb a C3.R1 szorzat, a-töltéserősítő annál kisebb frekvenciák átvitelére is alkalmas lesz, azaz annál szélesebb lesz a sávszélesség,- megfelelő érzékenység és kellően nagy sávszélesség egyidejűleg, tehát csak Gohm-os nagyságrendű RÍ visszacsatoló ellenállás értékek mellett biztosítható. U2 - - C3 (2) Az (1) és a (2) képletben alkalmazott jelölések a következők voltak: Cl - a töltésforrás kapacitása, C2 - parazita kapacitás, például a kábel és a csatlakozások kapacitása valamint az E műveleti erősítő bemeneti kapacitása, C3 - a visszacsatoló kondenzátor kapacitása, Q - a jelforrás töltésmennyisége, U2 - kimenő feszültség, U1 - bemenő feszültség, X* és Xv - az előrevezető^illetőleg a visszavevezető ág impedanciája, J - egységvektör a komplex számsíkon, co - körfrekvencia és p=jw. A (2) képlet szerint a töltéserősítő U2 kimenő feszültsége valóban arányos a Q töltésmennyiséggel, értéke nem függ a parazita kapacitásoktól, és az arányossági tényezőt pedig a C3 visszacsatoló kondenzátor kapacitása határozza meg. A szakirodalomból ismert gyakorlati kapcsolások lényegét mutatja be a 2. ábra. A 2. ábrán alkalmazott új áramköri elem az RÍ visszacsatoló ellenállás és a C4 csatoló kondenzátor. Az RÍ visszacsatoló ellenállás az egyenáramú munkapontot stabilizálja, a C4 csatoló kondenzátor pedig biztosítja a kis egyenáramú és a nagy váltóáramú erősítési tényezőt. A 2. ábra szerinti gyakorlati kapcsolásban az előző megfontolások alapján az U2 kimenő feszültség (3) összefüggés szerint számítható ki, ha a C4 csatoló kondenzátort a hasznos jeltartományban rövidzárnak tekintjük: 2 _q_ _£ • C3 - R1 C3 1 +~p7c37r1 Az ismert megoldások közös hiányossága, hogy igen nehezen megvalósítható, és ezért nehezen hozzáférhető, nagy névértékű ellenállás szükséges a megvalósításukhoz. A találmány célja ezen hiányosság kiküszöbölése, azaz olyan kapcsolási elrendezés kialakítása, mely nem igényel különösen nagy névértékű ellenállást. A célkitűzésünket a találmány szerinti kapcsolási elrendezésben azzal érjük el, hogy speciális visszacsatolást alkalmazva az RÍ visszacsatoló ellenállás értékét virtuálisan megnöveljük. A találmány tárgya kapcsolási elrendezés főleg töltéserősítőkhöz, melyben a kapcsolási elrendezés bemenő jelét szolgáltató 5 10 15 20 25 30 35 40 55 60 65 2
