Підсилювач заряду для квазістатичних і одиничних вимірювань
DOI:
https://doi.org/10.64915/RADAP.2026.105.%25pКлючові слова:
підсилювач заряду, п'єзоелектричний перетворювач, квазістатичні вимірювання, обробка низькочастотних сигналів, компенсація напруги зміщення, пригнічення синфазних завад, вимірювальна електронікаАнотація
Підсилювач заряду є ключовим елементом вимірювальних систем на основі п'єзоелектричних перетворювачів, оскільки точність реєстрації сигналів значною мірою визначається його характеристиками. Для високочастотних сигналів існують ефективні технічні рішення, однак реалізація підсилювачів для квазістатичних та одиничних вимірювань сигналів із постійною складовою залишається складною через розряд накопичувального конденсатора, вплив напруги зміщення операційних підсилювачів та високу чутливість до синфазних завад.
У роботі запропоновано нову архітектуру підсилювача заряду для квазістатичних і одиничних вимірювань, у якій накопичувальний конденсатор винесено за межі кола негативного зворотного зв'язку, що усуває необхідність використання паралельного резистора розряду та зменшує втрати заряду під час тривалих вимірювань. Наукова новизна полягає у розробці схеми підсилювача заряду з розділенням процесів підсилення струму п'єзодатчика та накопичення заряду, а також у запропонованому методі компенсації дрейфу, спричиненого напругою зміщення операційних підсилювачів. Завдяки симетричній структурі вхідного каскаду також досягнуто зниження чутливості до синфазних завад.
Проведено теоретичний аналіз основних джерел похибок, зокрема саморозряду накопичувального конденсатора та впливу напруг зміщення активних елементів. Експериментальна перевірка працездатності запропонованого рішення підтвердила можливість його використання для квазістатичних вимірювань із підвищеною точністю порівняно з класичними схемами підсилювачів заряду.
Проаналізовано недоліки прототипу підсилювача. Запропоновано шляхи подолання цих недоліків, вказано перспективи розвитку підсилювачів заряду п'єзоперетворювача, побудованих за цим принципом. Зокрема, виконання підсилювача як частини спеціалізованої інтегральної мікросхеми для п'єзоелектричних вимірювальних систем дозволить значно покращити його характеристики.
Посилання
1. Starecki T. (2014). Analog Front-End Circuitry in Piezoelectric and Microphone Detection of Photoacoustic Signals. Int. J. Thermophys., Vol. 35, pp. 21240–2139. DOI: 10.1007/s10765-014-1715-0.
2. Alnasser E. (2020). A Novel Low Output Offset Voltage Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors. IEEE Sensors J., Vol. 20, Iss. 10, pp. 5360–367. DOI: 10.1109/JSEN.2020.2970839.
3. He W., Niu S., Luo M., Liu S. (2023). A non-resonant piezoelectric sensor for measuring 50 Hz or 60 Hz electric currents. J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 2496, 012008. DOI: 10.1088/1742-6596/2496/1/012008.
4. Pyun J. Y., Kim Y. H., Kwon S. W., Choi W. Y., Park K. K. (2020). Comparison between Resonance and Non-Resonance Type Piezoelectric Acoustic Absorbers. Sensors, Vol. 20, 47. DOI: 10.3390/s20010047.
5. Du Z., Zhang T., Deng L., Zhou C., Cao Z., Wang S. (2017). A charge-amplifier based self-sensing method for measurement of piezoelectric displacement. ICMA. DOI: 10.1109/ICMA.2017.8016124.
6. Giannelli P., Calabrese G., Frattini G., Granato M., Capineri L. (2019). A Buffered Single-Supply Charge Amplifier for High-Impedance Piezoelectric Sensors. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 68, No. 2, pp. 368–376. DOI: 10.1109/TIM.2018.2849521.
7. Wang H., Britton C., Quaiyum F. et al. (2018). A Charge Sensitive Pre-Amplifier for Smart Point-of-Care Devices Employing Polymer-Based Lab-on-a-Chip. IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, Vol. 65, No. 8, pp. 984–988.
8. Kos T., Rojac T., Petrovcic J., Vrancic D. (2019). Control system for automated drift compensation of the stand-alone charge amplifier used for low-frequency measurement. AIP Advances, Vol. 9, Iss. 3, 035133. DOI: doi.org/10.1063/1.5064631.
9. Durdaut P., Penner V., Kirchhof C., Quandt E., Kn"ochel R., H"oft M. (2017). Noise of a JFET Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors. IEEE Sensors J., Vol. 17, No. 22, pp. 7364-7371. DOI: 10.1109/JSEN.2017.2759000.
10. Blumen A. R., Knowles K. R. (2008). Apparatus for reduc-ing offset voltage drifts in a charge amplifier circuit. U.S. Patent 7 414 466 B2, August 19, 2008.
11. Gu Z., Bi X. (2019). A charge amplifier with noise peaking suppression and gain drop compensation utilizing a Quasi-Miller RC network. Int. J. Electron. Commun., Vol. 107, pp. 252–256. DOI:10.1016/j.aeue.2019.05.029.
12. Ratti L., Manghisoni M., Re V., Speziali V., Traversi G. (2007). Minimum noise design of charge amplifiers with CMOS processes in the 100 nm feature size range. IEEE Nuclear Science Symposium Conference, Honolulu, USA. DOI: 10.1109/NSSMIC.2007.4436661.
13. Pinna L., Valle M. (2013). Charge Amplifier Design Methodology for PVDF-Based Tactile Sensors. J. Circuit Syst. Comp., Vol. 22, No. 08, 1350066. DOI: 10.1142/S0218126613500667.
14. Cao Y., Cao J., Wang Z., Li S. (2013). Design of charge amplifier for the accelerometer. Proc. 2nd Int. Conf. on Measurement, Information and Control, Harbin, China, pp. 266-270. DOI: 10.1109/MIC.2013.6757962.
15. Laurila M. M. et al. (2019). A fully printed ultra-thin charge amplifier for on-skin biosignal measurements. IEEE J. Electron Devices Soc., Vol. 7, pp. 566--574. DOI: 10.1109/JEDS.2019.2915028.
16. C0G (NP0) Dielectric General Specifications. AVX Corporation. Available at: https://sy-dep-epc-lpc.web.cern.ch/components/datasheets/epc-lpc(converters)/COG%20Ceramic%20Capacitor%20(AVX).pdf.
17. CD4066B CMOS Quad Bilateral Switch. Texas Instruments.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 І. М. Кирпатенко, А. В. Мовчанюк, Б. О. Пархоменко
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
