СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2013

При схемотехническом моделиро вании пьезоэлектрический чувстви тельный элемент (см. рис. 8а) обыч но представляют в виде источника за ряда Q P (см. рис. 8б) с параллельно соединёнными конденсатором C P и резистором R P или в виде источника переменного напряжения V P с после довательно подключенной к нему це почкой C P || R P (см. рис. 8в). Величина генерируемого чувствительным эле ментом заряда зависит от пьезоэлек трической постоянной, ёмкость C P определяется площадью электродов, толщиной кристалла и диэлектричес кой постоянной материала, а R P ха рактеризует ток утечки, приводящий к нейтрализации статического заря да [10]. Обработку сигнала обычно выпол няют с помощью усилителя напряже ния, когда пьезоэлектрический чувст вительный элемент расположен очень близко от усилителя, или зарядочувст вительного усилителя (ЗЧУ) при уда лённом чувствительном элементе. Прииспользованииусилителянапря жения (см. рис. 9) генерируемый заряд интегрируется на ёмкостичувствитель ного элемента и суммарной ёмкости ( C C ) соединительных кабелей и пара зитной ёмкости монтажа. Таким обра зом, зарядпьезоэлектрического элемен та преобразуется во входное напряже ние, которое усиливается в K V раз ОУ с замкнутой цепью отрицательной об ратной связи (ООС). Резистор R B обра зует цепь для протекания постоянного входного тока ОУ, а конденсатор C F обеспечивает спад АЧХ на требуемой частоте. Величину R B обычно выбирают максимально возможной, с учётомтого, чтопадение напряжения на R B , создава емое входным током ОУ, усиливается в K V раз и уменьшает динамический диа пазон выходного напряжения. Работу усилителя напряжения, при ведённого на рисунке 9, описывают со отношения: , (4) , (5) , (6) , (7) где V OUT – выходное напряжение, V CC – напряжение источника питания, R F , R G , R B – сопротивления резисторов на ри сунке 9, K V – коэффициент усиления напряжения ОУ с замкнутой ООС, f L , f H – частота среза АЧХ в области ниж них и верхних частот. Такая схема включения очень чувст вительна к величине паразитной ём кости монтажа и соединительных ка белей. Обработку сигнала с помощью ЗЧУ поясняет рисунок 10. Действие ООС операционного усилителя при водит к равенству потенциалов на его входах, при этом ёмкости C P , C C не пе резаряжаются, а весь заряд, генерируе мый чувствительным элементом, заря жает ёмкость C F и вызывает появление импульса напряжения на выходе ЗЧУ. Резистор R F образует цепь для протека ния постоянного входного тока ОУ, а также восстанавливает начальный уро вень выходного напряжения после за вершения интегрирования входного заряда, R I защищает вход при воздейст вии перегрузки. Основные параметры ЗЧУ определяются как: , (8) , (9) , (10) , (11) где K QV – коэффициент преобразова ния входного заряда в выходное на пряжение. Основным преимуществом схемы включения пьезоэлектрического чувст вительного элемента, показанной на рисунке 10, является независимость выходного напряжения от величины паразитной ёмкости монтажа и соеди нительных кабелей. С ПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МИКРОСХЕМЫ ИНТЕРФЕЙСОВ Несмотря на то что устройства об работки сигналов на основе ОУ не вы ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2013 Vcc TLV2771 + – Rp Cp Cc qp Rb Rg 1/2 Vcc Rf Cf Рис. 9. Обработка сигнала пьезоэлектрического чувствительного элемента с помощью усилителя напряжения Vcc TLV2771 – + Rp Cp Cc qp Ri 1/2 Vcc Rf Cf Рис. 10. Обработка сигнала пьезоэлектрического чувствительного элемента с помощью ЗЧУ Rp Vp + – Cp qp Rp Cp Vp Рис. 8. Пьезоэлектрический чувствительный элемент а) условное графическое обозначение; б) модель с источником заряда; в) модель с источником напряжения а) б) в)