HQA-Ladungsverstärker für Quarzstimmgabeln

Der HQA-15M-10T eignet sich für Sensoren, die eine Wechsel-Ladung erzeugen und ein zu dieser Ladung proportionales Ausgangssignal erfordern. Ein Transimpedanzverstärker liefert dagegen ein zum Strom proportionales Ausgangssignal, wobei der Strom die zeitliche Ableitung der Ladung ist. Diese Ladungsverstärker-Architektur integriert den Eingangsstrom und bietet eine feste Umwandlung von 10 V/pC über einen Arbeitsbereich von 250 Hz bis 15 MHz. Sie ist für sinusförmige Signale von Quellen wie Quarzstimmgabeln, piezoelektrischen Detektoren und Longitudinalresonatoren ausgelegt. Wenn die Quelle einen kontinuierlichen Strom oder eine mittlere DC-Komponente erzeugt, sollte ein anderes Frontend in Betracht gezogen werden.

Nein, der Eingang ist für AC-Ladungsquellen ausgelegt, die keine mittlere DC-Hintergrundkomponente erzeugen. Bei einer symmetrischen Wellenform wechseln sich positive und negative Ladung ab, sodass die netto akkumulierte Ladung wieder gegen null zurückkehrt und kein Reset-Mechanismus erforderlich ist. Der Eingangswiderstand von 1 GΩ hilft, den Aufbau statischer Ladung zu verhindern, macht den Verstärker jedoch nicht für kontinuierlichen DC-Strom geeignet. Eine anhaltende DC-Komponente kann die Integrationsstufe in die Sättigung treiben und eine lineare Messung verhindern. Entwickler sollten deshalb vor der Auswahl dieses Verstärkers das Offset- und Leckstromverhalten des Sensors prüfen.

Für den normalen Betrieb sollte die Gesamtkapazität von Sensor und Eingangskabel unter 1 nF bleiben. Die typische obere Grenzfrequenz von 15 MHz ist für höchstens 100 pF Quellenkapazität spezifiziert; höhere Werte können die nutzbare Bandbreite einschränken. Bei 1 MHz steigt das Eingangs-Ladungsrauschen von 40 × 10⁻²¹ C/√Hz bei offenem Eingang auf 90 × 10⁻²¹ C/√Hz bei 100 pF. Unter denselben Bedingungen erhöht sich auch das äquivalente Eingangsstromrauschen von 250 fA/√Hz auf 570 fA/√Hz. Wird der Verstärker nahe am Sensor platziert und das Eingangskabel kurz gehalten, unterstützt das daher ein geringeres Rauschen und einen besser vorhersehbaren Frequenzgang.

Bei einer hochohmigen Ausgangslast wird die Eingangsladung in Pikocoulomb mit dem festen Verstärkungsfaktor von 10 V/pC multipliziert. Ein Eingangssignal von 0,2 pC Spitze-Spitze ergibt beispielsweise nominell ein Ausgangssignal von 2 V Spitze-Spitze. Die maximal spezifizierte Eingangsladung von 1 pC Spitze-Spitze entspricht nominell der linearen Ausgangsgrenze von 10 V Spitze-Spitze, wenn die Last mindestens 100 kΩ beträgt. Die Verstärkungsgenauigkeit liegt bei ±3 %, daher sollte ein praxisgerechtes Design zusätzliche Reserve für Sensortoleranzen und transiente Spitzen vorsehen. Eine Last von 50 Ω begrenzt den verfügbaren Ausgangshub auf 5 V Spitze-Spitze und sollte nicht verwendet werden, wenn der volle Ausgangsbereich benötigt wird.

Ein hochohmiger Empfänger mit mindestens 100 kΩ ist erforderlich, wenn der volle Ausgangsbereich von 10 V Spitze-Spitze und die spezifizierte Ladungsverstärkung benötigt werden. Obwohl der Verstärker eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω hat, reduziert eine Last von 50 Ω den verfügbaren Ausgangsbereich auf 5 V Spitze-Spitze. Ein 50-Ω-Koaxialkabel kann dennoch verwendet werden, solange der Oszilloskop-, Digitizer- oder Erfassungseingang im hochohmigen Modus bleibt. Kabelimpedanz und Abschluss des Empfängers sollten daher als separate Auslegungsentscheidungen betrachtet werden. Die Kurzschlussfestigkeit von 100 mA bietet Schutz, sollte jedoch nicht als normaler Dauerbetriebszustand angesehen werden.

Der Verstärker benötigt eine geregelte bipolare Versorgung von ±15 V, mit einem zulässigen Betriebsbereich von ±14,5 V bis ±16,5 V. Der spezifizierte Strombedarf beträgt abhängig von den Betriebsbedingungen ±35 mA, empfohlen wird jedoch ein Netzteil mit mindestens ±100 mA. Beim 3-poligen Stromanschluss liegt +15 V auf Pin 1, −15 V auf Pin 2 und Masse auf Pin 3. Für die spezifizierten Prüfbedingungen wird eine Aufwärmzeit von 20 Minuten angesetzt, wobei vor der Messung mindestens 10 Minuten empfohlen werden. Der absolute Maximalwert von ±18 V ist eine Schutzgrenze und darf nicht als normale Versorgungsspannung verwendet werden.

Das angegebene Eingangs-Ladungsrauschen von 40 × 10⁻²¹ C/√Hz ist ein bei 1 MHz und offenem Eingang gemessener spektraler Dichtewert und keine feste minimal nachweisbare Ladung. Die praktische Auflösung hängt von der Messbandbreite, der Quellenkapazität, dem Kabelverhalten sowie dem vom Sensor und der nachfolgenden Elektronik eingebrachten Rauschen ab. Beim Anschluss von 100 pF steigt die Ladungsrauschdichte unter den angegebenen Bedingungen auf 90 × 10⁻²¹ C/√Hz und das typische Ausgangsrauschen von 1,5 mV RMS auf 4,6 mV RMS. Die Werte für das Ausgangsrauschen basieren auf einer Messbandbreite von 200 MHz und einer Last von mindestens 1 MΩ. Eine Begrenzung der nachgeschalteten Messbandbreite und die Kontrolle der Eingangskapazität können zu einem niedrigeren integrierten Rauschpegel beitragen.

Das Gerät ist für den Betrieb von 0 °C bis +40 °C und für die Lagerung von −40 °C bis +85 °C spezifiziert. Das Gehäuse mit den Abmessungen 94 × 51 × 27 mm wiegt 200 g und besteht aus vernickelter AlMg4.5Mn-Aluminiumlegierung. Für Ein- und Ausgang sind BNC-Buchsen vorhanden, die Strom­versorgung erfolgt über einen separaten 3-poligen Anschluss. Das kompakte Gehäuse kann nahe an der Ladungsquelle installiert werden, was die Länge des Eingangskabels und die damit verbundene Kapazität reduziert. Darüber hinaus muss das Design sicherstellen, dass der Eingang 20 V Spitze-Spitze nicht überschreitet und die Versorgung unterhalb des absoluten Maximalwerts von ±18 V bleibt.