Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №6 - Журнал «Домашняя лаборатория»
Усилитель с компенсацией.
Усилитель (рис. 4.52) усиливает сигналы в широкой полосе частот. Верхняя граничная частота определяется сопротивлением резистора R1. Расширение частотного диапазона получено за счет уменьшения емкости затвор — сток транзистора VT1. Это достигается тем, что через стабилитрон VD1 с выхода усилителя на сток транзистора VT1 подано напряжение ООС. Схема обладает входным сопротивлением более 1010 Ом.
Усилитель с регулируемой ООС.
Усилитель (рис. 4.53) при коэффициенте усиления в пределах 10 обладает входным сопротивлением более 1010 Ом. Коэффициент усиления может меняться в достаточно широких пределах с помощью потенциометра R5. Форма АЧХ усилителя в зависимости от сопротивления R0 проиллюстрирована графиках рис. 4.53. В полосе 50 кГц напряжение шума усилителя равно 1–2 мкВ. При использовании вместо микросхемы DA1 полевых транзисторов типа КП303В не рекомендуется устанавливать коэффициент усиления более 10. В этом случае необходимо также обращать внимание на температурный и временной дрейфы.
Простой мостовой электрометрический усилитель.
Электрометрический усилитель (рис. 4.54) состоит из транзисторно-резисторного моста и усилителя на микросхеме и позволяет измерять входной ток до 2∙10-15 А. В усилителе применен полевой транзистор VT, входное сопротивление которого более 107 Ом. Динамический диапазон входного напряжения ±0,7 В. Коэффициент усиления схемы равен 10. Верхняя граничная частота усилителя зависит от выходного сопротивления генератора сигнала и входной емкости полевого транзистора VT.
Мостовой электрометрический усилитель.
Усилитель собран по мостовой схеме (рис. 4.55), в одно плечо которого включен полевой транзистор VT.
Для уменьшения температурного дрейфа усилителя в схему введены элементы подстройки режима работы полевого транзистора и балансировки моста. Напряжение на истоке транзистора устанавливается с помощью подстроечного резистора R3. Балансировка моста осуществляется построечным резистором R4. В схеме моста желательно использовать резисторы с малым температурным дрейфом. При использовании проволочных резисторов, вызывающих температурный дрейф выходного напряжения 700 мкВ/град, что значительно выше температурного дрейфа от полевого транзистора (4–7 мкВ/град), компенсации температурного дрейфа следует добиваться с помощью терморезистора R6. В этом случае температурный дрейф может быть снижен до 40 мкВ/град.
Выходной сигнал моста усиливается микросхемой, необходимый коэффициент усиления которой устанавливается резистором R7. Вся схема охвачена общей ООС. Эта связь осуществляется резисторами R1 и R8-R10. Усилитель может быть использован для измерения тиков порядка 10-13 — 10-12 А. Чувствительность схемы равна 3∙10-14 А при соотношении сигнал-шум, равном 3. Диапазон входных напряжений 0,6–6 В. Температурный дрейф 40 мкВ/град. Временной дрейф 10-18 А/ч. Полоса пропускания 0–7 Гц. Кроме интегральной микросхемы К140УД1Б в устройстве можно применить микросхему К153УД1.
Электрометрический усилитель.
Электрометрический усилитель (рис. 4.56) позволяет измерять входные токи 5∙10-16 — 5∙10-12 А. На входе усилителя применен полевой транзистор VT в схеме истокового повторителя. Сигнал с истока полевого транзистора подается на вход ОУ. Для уменьшения временного и температурного дрейфов полевого транзистора ток через него (0,3 мА) стабилизирован резисторами R1 и R2 и стабилитроном VD2. Сопротивление резистора R2 следует подбирать с учетом разброса параметров полевого транзистора. Для получения малой рассеиваемой мощности транзистором VT потенциал стока ограничивается стабилитроном VD2.
Выходной сигнал полевого транзистора подается на инвертирующий вход интегральной микросхемы. На неинвертирующий вход этой микросхемы подается постоянное напряжение, с по мощью которого согласуются входы усилителя по постоянному уровню. Резистор R8 осуществляет грубую, резистор R7 — плавную балансировку ОУ. Для уменьшения статического заряда в цепи затвора полевого транзистора служит резистор R4 Параллельно этому резистору может быть включена цепочка R5C1, которая увеличивает коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания усилителя. Постоянная времени при этом уменьшается с 0,1 до 15 мс. С расширением полосы шум усилителя увеличивается до 2∙10-15 А (для узкой полосы он не превышает 8∙10-18 А). Максимальное выходное напряжение ±5 В. Дрейф нуля составляет 0,9 мВ в диапазоне температур 20° — 45 °C. Временной дрейф ±0,9 мВ/ч.
Дифференциальный электрометрический усилитель.
Входной каскад усилителя (рис. 4.57) выполнен по дифференциальной схеме на полевых транзисторах. Для стабилизации параметров усилителя применена 100 %-ная ООС. При разомкнутой цепи ОС коэффициент усиления составляет 104.
Постоянная времени входной цепи для R1 = 1012 Ом равна 0,1 с, а для R1 = 1011 Ом — 10 с. Такого же порядка выбирается постоянная времени на выходе ОУ. Временной дрейф за 1 ч равен 0,5 мВ для R1 = 1012 Ом и 3 мВ для R1 = 104 Ом. Температурный дрейф в диапазоне от — 30 до 4-50 °C менее 0,1 мВ/град при R1 = 1012 Ом. Шумы на выходе составляют 1,5 мВ для R1 = 1012 Ом и 3 мВ для R1 = 1014 Ом. Пороговая чувствительность для 1012 Ом составляет 1,5∙10-15 А, а для 1014 Ом — 3∙10-17 А. При замене микросхемы К140УД1Б на микросхему К153УД1 в два раза увеличивается шумовая составляющая сигнала на выходе схемы.
Повторитель напряжения.
Повторитель (рис. 4.58) собран на двух интегральных микросхемах. Предварительный дифференциальный каскад выполнен на сборке полевых транзисторов DA1. Входное сопротивление его равно 2∙109 Ом. Для стабилизации режима половых транзисторов по току в цепь истоков включен генератор тока на транзисторе VT. Температурная стабилизация коллекторного тока транзистора VT осуществляется с помощью диода VD1. Выходной сигнал дифференциального каскада поступает на входы ОУ. Связь выхода ОУ с затвором правого (по схеме) полевого транзистора обеспечивает 100 %-ную ООС. Для устранения самовозбуждения в схему введены две корректирующие цепочки, состоящие из элементов R7, C1, С2, С3. При разомкнутой ОС общий коэффициент усиления составляет 80 дБ. Верхняя частота полосы пропускание равна 50 кГц. Коэффициент ослабления синфазного входного напряжения не менее 70 дБ, а температурный дрейф не более 5 мкВ/град.
Усилитель с ООС.
Усилитель (рис. 4.59) имеет входное сопротивление 5 МОм при полосе пропускания от 2 Гц до 100 кГц. Коэффициент усиления не менее 103. Максимальная амплитуда неискаженного выходного сигнала 5 В. Усилитель устойчиво работает в диапазоне температур от — 20 до +60 °C. Стабильность параметров усилителя достигнута полной ООС по постоянному току. Полоса пропускания может быть уменьшена изменением параметров цепочки
