Усиление напряжения с высокоимпедансной точки Опции

[norsen]

Господа, у меня такая проблема: нужно усиливать (или повторять) сигнал с высокоимпедансной точки (средняя точка делителя из 2 емкостей, емкости порядка 10 пФ). Соответственно нужен усилитель или буфер с очень высоким входным сопротивлением и с очень малой входной емкостью, т.к. ошибка (по сравнению с работой емкостного делителя без усилителя) должна быть порядка 10E-5. Может ли кто-нибудь посоветовать такой усилитель или идею по его реализации?

[xemul]

Я написал "эскиз схемы", т.к. он показывает только общую идею построения усилителя заряда. Если датчик выполнен с одной заземленной обкладкой, то эта схема уже неприменима. Если требуется измерять статическое смещение - тоже. Схема питания датчика и схема компенсации будут на порядок сложнее приведенного эскиза.
По даташиту на HT1104 Input Offset Current @225C все-таки <10 нА, но это несущественно, т.к. для усилителя заряда я бы предпочел видеть и Input Bias Current, и Input Offset Current <1-10 пикоА (про нижнюю частоту сигнала нам ничего не сказали, так что точнее не скажу).

Не совсем понимаю, почему схема не применима для измерения статического смещения? На выходе ведь все равно амплитуда напряжения будет пропорциональна отношению емкостей датчика, в чем же проблема? Схема ведь основана на измерении амплитуды... Кстати, отношение емкостей в конечном выражении снимает проблемы с температурной нестабильностью емкостей датчика, т.к. они одинаково дрейфуют с температурой.

Как отметил Станислав, усилитель заряда (УЗ) называют еще интегратором тока, т.е. напряжение на выходе пропорционально интегралу входного тока с коэффициентом 1/Cос. Беда заключается в том, что интегрируется при этом не только полезная составляющая тока (в схеме, приведенной Станиславом, - ток через левый конденсатор), но и все токи утечки (датчика, Сос, платы, кабеля...) и входной ток ОУ. Несложно подсчитать, что при входном токе ОУ в 10 нА, емкости Сос = 10 пФ и диапазоне выходного сигнала +-1 В ошибка в 0.1% только от входного тока набежит за 1 мкс.
Работа с УЗ кроме посильной минимизации паразитных токов предполагает периодический сброс интегрирующего конденсатора и калибровку УЗ для учета оставшихся паразитных токов. Паразитные токи могут быть скомпенсированы добавлением линейно изменяющейся составляющей к напряжению питания датчика в такте измерения, хотя сейчас проще выполнять такую коррекцию уже в цифре.
Измерение статического смещения емкостным датчиком с УЗ, т.к. информация об этом смещении - напряжение на Сос, предполагает или отсутствие сброса Сос в течение всего времени работы, или выполнение периодического сброса и хранение информации о смещении в цифре. Т.к. за время тактов сброса и калибровки информация с датчика обрабатываться не будет, это приведет к (быстрому) набегу ошибки. Кроме того, при требуемой Вам частоте измерений и погрешности допустимая длительность тактов сброса и калибровки получается просто микроскопической.
Резюм: УЗ в данном случае использовать очень проблематично.

Допустим, питание датчика - синусоида с 12-битного ЦАП (через повторитель на ОУ), после усиления сигнал - на АЦП, у которого то же опорное напряжение, что и у ЦАПа. Что имеется в виду под схемой компенсации? (по какому параметру?) Простите за возможное дилетантство... если одинаковые опорники у "генератора" и "измерителя", то что еще надо компенсировать?

Т.е. используем обычный усилитель переменного тока? Вполне допустимо, но ... чуть ниже.
Что можно попробовать компенсировать? Ну, например, несимметричность синусоиды, вызванную несогласованностью нижнего и верхнего плеч формирователя, уход нуля ОУ, те же самые утечки...

Под "частотным диапазоном измеряемого сигнала" я имел в виду именно чатотный диапазон измеряемого перемещения, а не частоту модуляции или частоту выборки/измерения. Соответственно, под "статическим смещением" я имел в виду не смещение нуля на выходе ОУ, а необходимость измерения полезного сигнала на частоте 0 Гц (т.е. подвижный элемент датчика сместили на х мм, и там держат или колеблют его относительно этого положения). Вопрос остается открытым.

Да, статику необходимо мерять (это как раз главное в проекте - знать среднее положение, не взирая на колебания, которые имеют спектр примерно до 4 кГц с локальными максимумами где-то на десятках и сотнях Гц).

Угу, с усилителем переменного тока это вполне возможно. Теперь то самое "но". Вы хотите измерять сигнал до 4 кГц, соответственно, частота модуляции напряжения питания датчика должна быть выше настолько, чтобы после фильтрации (аналоговой или цифровой - без разницы) она давилась не хуже чем на 60 дБ (кажется, Вы заказывали погрешность 0.1%?). По той же причине данные на ЦАП должны выдаваться с частотой ~ в 600 раз выше частоты модуляции. Можно, конечно, формировать питание моста специализированным синтезатором в холодной части, но тогда к нему (питанию) по пути могут пристать всякие помехи.
И это далеко не все (остаются еще стабилизаторы питания в горячей части - Вы сами сказали, что исходные +-5 грязные, ИОН требуемой точности,...).

...Применение моста в данном случае я буду считать возможным, если мне расскажут, как обеспечить требуемую точность пассивного плеча на 200 С или компенсацию емкостей шнурков при удаленном пассивном плече.

Вот-вот, и я о том же.
Есть, однако, и другие недостатки мостовой схемы применительно к данной задаче.

Мост, имхо, здесь может быть полезен только при однополярной запитке датчика.

[Stanislav]

...Беда заключается в том, что интегрируется при этом не только полезная составляющая тока (в схеме, приведенной Станиславом, - ток через левый конденсатор), но и все токи утечки (датчика, Сос, платы, кабеля...) и входной ток ОУ. Несложно подсчитать, что при входном токе ОУ в 10 нА, емкости Сос = 10 пФ и диапазоне выходного сигнала +-1 В ошибка в 0.1% только от входного тока набежит за 1 мкс.

Простите, но это неверно. Измерения предполагается производить на переменном токе. Для этого на датчик предложено подавать напряжение "накачки" в единицы (сначала) или десятки (позже) кГц.
Входные же токи ОУ можно считать в первом приближении величиной постоянной, которая вызовет только постоянное смещение выходного напряжения, что никак не повлияет на результаты измерений (определяемые величиной переменной составляющей). Во втором приближении нужно учитывать токовые шумы входа ОУ, и это существенный момент, который, однако, лучше обсудить позже.
Кстати, при 200С входные токи ОУ будут заметно меньше, чем при 225С.

...Вы хотите измерять сигнал до 4 кГц, соответственно, частота модуляции напряжения питания датчика должна быть выше настолько, чтобы после фильтрации (аналоговой или цифровой - без разницы) она давилась не хуже чем на 60 дБ (кажется, Вы заказывали погрешность 0.1%?). По той же причине данные на ЦАП должны выдаваться с частотой ~ в 600 раз выше частоты модуляции. Можно, конечно, формировать питание моста специализированным синтезатором в холодной части, но тогда к нему (питанию) по пути могут пристать всякие помехи.

Ваш расчёт не совсем верен (точнее, совсем неверен).
Во-первых, автор темы явно не указал, какая полоса сигнала его интересует (я понял, что это - единицы герц). Получить в полосе же 4 кГц точность 10е-3, по-моему, будет очень трудно, если вообще возможно.
Во-вторых, зачем давить частоту накачки? Выходной фильтр НЧ только должен подавлять ВЧ компоненты, образующиеся после демодуляции сигнала, буде таковая производится.
Я бы вообще не делал демодуляцию в аналоге, а сразу бы оцифровал сигнал после преобразователя и полосового фильтра. В цифрЕ с ним дальше разбираться будет проще.
В-третьих, откуда 600 раз? На выходе ЦАП также нужно ставить фильтр, при этом таких жуткие частоты вовсе не понадобятся.

...И это далеко не все (остаются еще стабилизаторы питания в горячей части - Вы сами сказали, что исходные +-5 грязные, ИОН требуемой точности,...).

Простите, Вы о чём? Зачем стабилизаторы и ИОН, да ещё в горячей части?

...Мост, имхо, здесь может быть полезен только при однополярной запитке датчика.

Каим образом он может быть полезен?