HQA Quartz Tuning Fork Charge Amplifier

De HQA-15M-10T is geschikt voor sensoren die een wisselende lading genereren en een uitgang vereisen die evenredig is aan die lading. Een transimpedantieversterker levert daarentegen een uitgang die evenredig is aan de stroom, de tijdsafgeleide van lading. Deze charge-amplifierarchitectuur integreert de ingangsstroom en biedt een vaste omzetting van 10 V/pC over een werkgebied van 250 Hz tot 15 MHz. De versterker is bedoeld voor sinusvormige signalen van bronnen zoals kwartstrillvorken, piëzo-elektrische detectoren en longitudinale resonatoren. Wanneer de bron een continue stroom of een gemiddelde DC-component produceert, moet een andere front-end worden overwogen.

Nee, de ingang is bedoeld voor AC-ladingsbronnen zonder gemiddelde DC-achtergrond. Bij een symmetrische golfvorm wisselen positieve en negatieve lading elkaar af, zodat de netto geaccumuleerde lading weer richting nul gaat en er geen resetmechanisme nodig is. De ingangsweerstand van 1 GΩ helpt opbouw van statische lading te voorkomen, maar maakt de versterker niet geschikt voor continue DC-stroom. Een aanhoudende DC-component kan de integratietrap in verzadiging brengen en lineaire meting onmogelijk maken. Engineers moeten daarom het offset- en lekgedrag van de sensor controleren voordat zij deze versterker selecteren.

Voor normale werking moet de gecombineerde capaciteit van sensor en ingangskabel onder 1 nF blijven. De typische bovenste afsnijfrequentie van 15 MHz is gespecificeerd bij maximaal 100 pF broncapaciteit; hogere waarden kunnen de bruikbare bandbreedte beperken. Bij 1 MHz neemt de ingangsladingsruis toe van 40 × 10⁻²¹ C/√Hz bij open ingang tot 90 × 10⁻²¹ C/√Hz bij 100 pF. Onder dezelfde omstandigheden stijgt ook de equivalente ingangsstroomruis van 250 fA/√Hz naar 570 fA/√Hz. Door de versterker dicht bij de sensor te plaatsen en de ingangskabel kort te houden, kunt u de ruis beperken en een beter voorspelbare frequentierespons behouden.

Bij een hoogohmige uitgangsbelasting vermenigvuldigt u de ingangslading in picocoulomb met de vaste versterking van 10 V/pC. Zo levert een ingangssignaal van 0,2 pC piek-tot-piek nominaal een uitgang van 2 V piek-tot-piek op. De maximaal gespecificeerde ingangslading van 1 pC piek-tot-piek komt nominaal overeen met de lineaire uitgangslimiet van 10 V piek-tot-piek wanneer de belasting minimaal 100 kΩ bedraagt. De versterkingsnauwkeurigheid is ±3%, dus in een praktisch ontwerp moet extra marge worden aangehouden voor sensortoleranties en transiënte pieken. Een belasting van 50 Ω beperkt de beschikbare uitgangsswing tot 5 V piek-tot-piek en mag niet worden gebruikt wanneer het volledige uitgangsbereik nodig is.

Een hoogohmige ontvanger van minimaal 100 kΩ is vereist wanneer het volledige uitgangsbereik van 10 V piek-tot-piek en de gespecificeerde ladingsversterking nodig zijn. Hoewel de versterker een uitgangsimpedantie van 50 Ω heeft, vermindert belasting met 50 Ω het beschikbare uitgangsbereik tot 5 V piek-tot-piek. Een 50 Ω-coaxkabel kan nog steeds worden gebruikt zolang de oscilloscoop, digitiser of acquisitie-ingang in de hoogohmige modus blijft staan. Kabelimpedantie en afsluiting van de ontvanger moeten daarom als afzonderlijke ontwerpkeuzes worden behandeld. De kortsluitcapaciteit van 100 mA biedt bescherming, maar mag niet als normale continue bedrijfsconditie worden beschouwd.

De versterker vereist een geregelde bipolaire voeding van ±15 V, met een toegestaan werkbereik van ±14,5 V tot ±16,5 V. De gespecificeerde stroomopname bedraagt afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden ±35 mA, terwijl een voeding wordt aanbevolen die minimaal ±100 mA kan leveren. Bij de 3-polige voedingsaansluiting is pin 1 toegewezen aan +15 V, pin 2 aan −15 V en pin 3 aan aarde. Voor de gespecificeerde testomstandigheden wordt uitgegaan van een opwarmtijd van 20 minuten, hoewel minimaal 10 minuten vóór de meting wordt aanbevolen. De absolute maximumwaarde van ±18 V is een beveiligingslimiet en mag niet als normale voedingsspanning worden gebruikt.

De opgegeven ingangsladingsruis van 40 × 10⁻²¹ C/√Hz is een spectrale-dichtheidswaarde, gemeten bij 1 MHz met open ingang, en geen vaste minimaal detecteerbare lading. De praktische resolutie hangt af van de meetbandbreedte, broncapaciteit, het kabelgedrag en de ruis die door de sensor en de daaropvolgende elektronica wordt geïntroduceerd. Bij aansluiting van 100 pF stijgt de ladingsruisdichtheid naar 90 × 10⁻²¹ C/√Hz en neemt de typische uitgangsruis onder de opgegeven omstandigheden toe van 1,5 mV RMS naar 4,6 mV RMS. Voor de uitgangsruiswaarden wordt uitgegaan van een meetbandbreedte van 200 MHz en een belasting van minimaal 1 MΩ. Door de meetbandbreedte verderop in de keten te beperken en de ingangscapaciteit te beheersen, kan een lager geïntegreerd ruisniveau worden bereikt.

De unit is gespecificeerd voor gebruik van 0 °C tot +40 °C en voor opslag van −40 °C tot +85 °C. De behuizing van 94 × 51 × 27 mm weegt 200 g en is uitgevoerd in vernikkelde AlMg4.5Mn-aluminiumlegering. Voor de ingang en uitgang zijn BNC-bussen aanwezig, terwijl de voeding via een aparte 3-polige connector wordt aangesloten. De compacte behuizing kan dicht bij de ladingsbron worden geïnstalleerd, wat helpt om de lengte van de ingangskabel en de bijbehorende capaciteit te beperken. In het ontwerp moet ook worden voorkomen dat de ingang meer dan 20 V piek-tot-piek ontvangt en dat de voeding boven de absolute maximumwaarde van ±18 V uitkomt.