Файл: Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой.pdf

столикую и переменную составляющие помехи целесообразно пред­ ставить в виде эквивалентного источника напряжения, учитывающе­ го действие помех по току н напряжению.

Шунтирующим параметром резистора является емкость. В срав­ нительно узкой полосе частот высокоомный резистор может быть представлен з виде параллельного соединения сопротивления н емкости.

Последняя для реальных резисторов имеет порядок десятых до­ лей пикофарады. В широкой полосе частот (от нуля до 10— 100 Гц) приходится учитывать распределенную емкость резистора и приме­ нять более сложные схемы замещения.

В качестве емкостных преобразователен тока в напряжение (точнее, в скорость изменения напряжения) применяются серийные конденсаторы с высококачественной изоляцией или специально раз­

Основным параметром конденсатора является емкость. Она прак­ тически не зависит от проходящего через конденсатор тока. Вре­

сти в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляри­ зации (абсорбции) диэлектрика [Л. .10]. Благодаря абсорбции емкость конденсатора оказывается зависящей от частоты измеря­ емого тока. Для конденсаторов с высококачественным диэлектри­ ком (фторопласт, полистирол) составляющая погрешности, обуслов­ ленная абсорбцией, не превышает обычно 0,1—0,2%. Для воздушных конденсаторов эта составляющая пренебрежимо мала.

Для конденсатора в основном характерны те же источники по­ мех по току и напряжению, что и для резистора. Однако в связи с тем, что измерение напряжения на конденсаторе осуществляется при условии (где R m — шунтирующее сопротивление изо­

ляции конденсатора), названные помехи целесообразно характери­ зовать эквивалентным источником тока, содержащим постоянную и переменную составляющие.

Шунтирующее сопротивление конденсатора определяется в ос­ новном поверхностным сопротивлением изоляторов и в высококаче­ ственных трехзажнмных конденсаторах достигает 1015— 1010 Ом.

В качестве логарифмирующих преобразователей тока в напря­ жение применяются электровакуумные и полупроводниковые прибо­ ры с вольт-амперной характеристикой, описываемой логарифмиче­ ской зависимостью. Сопротивление ЛЭ изменяется под действием измеряемого тока таким образом, что абсолютные приращения на­ пряжения при одинаковых относительных приращениях тока оста­ ются неизменными. В зависимости от типа ЛЭ и режима его рабо­

ко в связи с тем, что сопротивление зависит от приложенного на­ пряжения (измеряемого тока), причем эта зависимость зачастую искажается различными паразитными факторами, поведение ЛЭ как преобразователя малого тока в напряжение наиболее полно может быть описано только его вольт-амперной характеристикой.

8

Помехи ЛЭ, так же как и в случае высокоомного реЗйбтОрф целесообразно представить в виде эквивалентного источника напря­

в этом случае невозможно выделить в чистом виде, так -как его

2. Электрометрические усилители

плекте с высокоомными преобразователями тока в напряжение яв ляется достаточно сложной задачей. В подавляющем большинстве случаев такие измерители выполняются на основе так называемых

эквивалентным источником напряжения помех евх и эквивалентным

источником тока помех iDX. Аналогично эквивалентным источникам помех высокоомных преобразователей можно считать, что источники помех входной цепи ЭМУ также содержат постоянные и перемен­ ные составляющие. Однако если природа источников тока помех как у преобразователя, так и у ЭМУ практически одинакова, то экви­ валентный источник напряжения помех ЭМУ отражает результирую­ щее действие помех (временного дрейфа, температурной нестабиль­ ности, теплового и дробового шума и т. и.) всех элементов ЭМУ. приведенное ко входу усилителя.

Параметры эквивалентной схемы входной цепи ЭМУ в значи­ тельной степени определяют погрешность, а в некоторых случаях и быстродействие измерителя тока, что обусловливает жесткие тре­ бования к входному элементу ЭМУ.

Значительное увеличение входного сопротивления ЭМУ (в прин­ ципе до бесконечности) может быть получено только при исполь­ зовании во входном каскаде элемента, управляемого электростати-

9

веским полем. В качестве таких элементов в настоящее бремй используются электростатические измерительные механизмы, специ­ альные (электрометрические) лампы, динамические конденсаторы, варикапы, МОП-транзисторы и сегнетоэлектрики.

Исторически первым измерителем напряжения с бесконечно большим входным сопротивлением являлся электростатический элек­ трометр. Паразитный ток электростатического электрометра в основ­ ном обусловлен только паразитным током изоляторов и может быть сделан малым. У лучших типов таких электрометров порог чувст­ вительности по напряжению лежит на уровне 50— 100 мкВ. Приборы этого типа находят некоторое применение в схемах ЭМУ до настоя-

%

щего времени, однако в силу ряда недостатков, основными из кото­ рых являются сложность механической конструкции и повышенная чувствительность к тряске, вибрациям, наклонам, электростатиче­ ский электрометр представляется малоперспективным прибором для

данной цели.

Более широкое применение в качестве входного элемента ЭМУ получили электрометрические лампы. Электрометрическими называ­ ются электронные лампы, сеточный ток которых лежит на уровне 10—12__10 "13 А и ниже, что достигается рядом конструктивных и ре­ жимных особенностей ламп [Л. 11]. С целью уменьшения сеточного тока электрометрические лампы работают при пониженной до оШ 900 К температуре катода и низком (5— 15 В) анодном напряже­ нии. При этом анодный ток ламп разных типов лежит в пределах 1—500 мкА, а крутизна — в пределах 10—300 мкА/В. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются электрометрические триоды, тетроды и пентоды. Коэффициент усиления ц триодов и тетродов находится на уровне 1—2,5, а у пентодов достигает II 000

и более.

10

При неизменном входном напряжении электрометрической лам­ пы ее выходное (анодное) напряжение может значительно изме­ няться при изменениях напряжения накала, анодного тока, темпе­ ратуры окружающей среды, а также при изменении эмиссионной способности катода в результате его старения. Это изменение вы­ ходного напряжения принято оценивать дрейфом— эквивалентным изменением напряжения управляющей сетки лампы. С целью умень­ шения дрейфа применяют несимметричную (одноламповую) и сим­ метричную (двухламповую) балансные схемы входных каскадов и стабилизацию питающих напряжений. Это позволяет уменьшить дрейф до десятых долей милливольта в час [Л. '11]. Широкое рас­ пространение получила параллельно-балансная схема входного кас­ када ЭМУ на сдвоенной электрометрической лампе, обеспечиваю­ щая уменьшение дрейфа до десятых долей милливольта в час срав­ нительно простым схемным решением.

В качестве примера ЭМУ с ламповым входным каскадом рас­ смотрим схему усилителя У1-6, серийно выпускаемого одним из оте­ чественных приборостроительных заводов [Л. 8]. Схема усилителя приведена на рис. 3. Первый каскад усилителя выполнен на субминнатюриом электрометрическом пентоде Л i типа ЭМ-10. Входной

сигнал подается на управляющую сетку лампы. Усиленное напря­ жение снимается с сопротивления анодной нагрузки Ri и подается

на управляющую сетку лампы второго каскада усиления напряже­ ния Лг (1Ж18Б). Резисторы iR2—Re определяют режим обеих ламп по цепи накала. Резисторы # 7—Ro обеспечивают питание экраниру­ ющей сетки лампы Л i стабилизированным напряжением от пара­ метрического стабилизатора Дн, Д 1 — Дз. Резистором Rs осуществ­ ляется грубая, а резистором R a — точная регулировка нуля ЭМУ. Конденсатор Сi ограничивает полосу пропускания усилителя в обла­

сти высоких частот. С выхода второго каскада (сопротивление анодной нагрузки лампы Лг — резистор Rw) сигнал подается на

транзисторный усилитель напряжения, выполненный по схеме с об­

подается иа базу транзистора Т2, включенного по схеме с общим коллектором. С нагрузки этого каскада (резистор Ru) снимается

выходное напряжение ЭМУ. Питание усилителя осуществляется от транзисторного стабилизатора напряжения (на схеме не показан).

Усилитель У 1-6 имеет следующие параметры: входной (паразитный) ток не более 5 -1 0 -15 А;

дрейф входного напряжения (изменение постоянной составля­ ющей напряжения помехи) в среднем 1 мВ за 20 мин;

коэффициент усиления не менее 1 000; выходное сопротивление не более 5 Ом.

Широкое применение в высококачественных ЭМУ находят ди­ намические конденсаторы, являющиеся в настоящее время лучши­ ми входными элементами ЭМУ. Динамический конденсатор пред­ ставляет собой емкостный вибрационный преобразователь постоян­ ного или медленно изменяющегося напряжения в напряжение отно­ сительно высокой частоты. Наиболее распространены динамические конденсаторы с одной неподвижной и одной или двумя подвижными пластинами, возбуждаемыми с помощью автономного генератора на частоте свободных или вынужденных колебаний подвижных пла­ стин.

11

Эквивалентная схема входном цепи ЭМУ с динамическим кон­ денсатором приведена на рис. 4,о. Источник сигнала е с внутренним сопротивлением г подключается к динамическому конденсатору С, через резистор R\. При этом соблюдают условие i?iCoi>-1//п. где Со1— емкость динамического конденсатора при отсутствии возбуж­ дения; fn — частота преобразования динамического конденсатора.

Соблюдение этого условия приводит к тому, что заряд на динами­ ческом конденсаторе не изменяется при изменениях емкости кон­ денсатора, вызываемых колебаниями подвижной пластины. В этом случае справедливо выражение

коэффициента преобразования динамического конденсатора (отно­

(УНЧ). Так, при емкости динамического конденсатора 20 пФ и ча­ стоте преобразования 300 Гц входное сопротивление УНЧ должно равняться примерно 1,7-Ю 8 Ом, что приводит к необходимости при­ менения высокоомных (лампа, МОП-транзистор) входных элемен­ тов УНЧ. При частоте преобразования порядка нескольких кило­ герц входное сопротивление может быть значительно уменьшено и возможно применение биполярных транзисторов.

ляет от 50 до 200 мкВ/24 ч. Действующее значение шумов динами­

ческого конденсатора достигает 15 мкВ.

В динамических конденсаторах применяется электромагнитное или электростатическое возбуждение колебаний подвижных пластин. Как правило, динамические конденсаторы с электростатическим воз­ буждением имеют более высокую частоту преобразования, п.х конст­ рукция допускает применение высокоэффективной технологии изго­ товления детален, обеспечивающей снижение паразитного тока и дрейфа нулевого уровня. Благодаря этому ЭМУ на таких конден­ саторах имеют в настоящее время лучшие параметры: действующее значение шумов 2 мкВ, паразитный ток 10- *7 А, дрейф нулевого уровня 20 мкВ/24 и 20 мкВДС. Недостатками ЭМУ с динамическим конденсатором являются сравнительно узкая полоса пропускания, поскольку частота входного сигнала должна быть значительно мень­ ше частоты преобразования, и некоторое усложнение конструкции по сравнению с ламповыми ЭМУ (наличие генератора возбуждения динамического конденсатора и демодулятора). Однако, несмотря на это, ЭМУ с динамическими конденсаторами наиболее широко при­ меняются в электрометрической аппаратуре.

12