Amplificador de carga

Un amplificador de carga es un integrador de corriente electrónico que produce una salida de voltaje proporcional al valor integrado de la corriente de entrada, o la carga total inyectada.

El amplificador compensa la corriente de entrada usando un capacitor de referencia de retroalimentación y produce un voltaje de salida inversamente proporcional al valor del capacitor de referencia pero proporcional a la carga total de entrada que fluye durante el período de tiempo especificado. Por tanto, el circuito actúa como un convertidor de carga a tensión. La ganancia del circuito depende de los valores del condensador de retroalimentación.

El amplificador de carga fue inventado por Walter Kistler en 1950.

Diseño

Los amplificadores de carga generalmente se construyen utilizando un amplificador operacional u otro circuito semiconductor de alta ganancia con un capacitor de retroalimentación negativa C_f.

En el nodo inversor fluyen la señal de carga de entrada q_in y la carga de retroalimentación q_f del producción. Según las leyes del circuito de Kirchhoff, se compensan entre sí.

${\displaystyle q_{in}=-q_{f}$.

La carga de entrada y el voltaje de salida son proporcionales con signo invertido. El condensador de realimentación C_f ajusta la amplificación.

${\displaystyle v_{out}={\frac} {\f} {\f} {\f} {\f}} {\f}} {\f} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}}} {\f}} {\f}} {\f}}}} {\f} {\f}}}} {\f}}}}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}}}}} {\f} {\f}}} {\f}}}} {\f}}} {\f}\f}}} {\f} {\f} {\f}} {\f}\f}}}}}}}} {\f} {\f} {\f} {\f}} {\f}\f}} {\f}\f} {\f}}}}\f}\f}}}}\f}}}}}}}}}}\f}}}}}\f}}}}}}}\f}}}}}}}} {\fn} {\f}} {\f}}} {\f}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}} {\f} {\f}}}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

La impedancia de entrada del circuito es casi cero debido al efecto Miller. Por lo tanto, todas las capacidades parásitas (la capacitancia del cable, la capacitancia de entrada del amplificador, etc.) están prácticamente conectadas a tierra y no tienen influencia en la señal de salida.

La resistencia de retroalimentación R_f descarga el condensador. Sin R_f la ganancia de CC sería muy alta, de modo que incluso la pequeña corriente de compensación de entrada de CC del amplificador operacional parecería altamente amplificada en la salida. R_f y C_f establecen el límite de frecuencia inferior del amplificador de carga.

${\displaystyle F_{l}={\frac {1}{2\pi} R_{f}C_{f}}}$

Debido a los efectos de CC descritos y las resistencias de aislamiento finitas en los amplificadores de carga prácticos, el circuito no es adecuado para la medición de cargas estáticas. Sin embargo, los amplificadores de carga de alta calidad permiten mediciones cuasiestáticas a frecuencias inferiores a 0,1 Hz. Algunos fabricantes también utilizan un interruptor de reinicio en lugar de R_f para descargar manualmente C_f antes de una medición.

Los amplificadores de carga prácticos suelen incluir etapas adicionales como amplificadores de voltaje, ajuste de sensibilidad del transductor, filtros de paso alto y bajo, integradores y circuitos de monitoreo de nivel.

Las señales de carga en la entrada de un amplificador de carga pueden ser tan bajas como algunos fC (FemtoCoulomb = 10⁻¹⁵C). Un efecto parásito de los cables de sensores coaxiales comunes es un cambio de carga cuando el cable se dobla. Incluso un ligero movimiento del cable puede generar señales de carga considerables que no se pueden distinguir de la señal del sensor. Para minimizar tales efectos se han desarrollado cables especiales de bajo ruido con un revestimiento conductor del aislamiento interior.

Aplicaciones

Las aplicaciones comunes incluyen la amplificación de señales de dispositivos como sensores piezoeléctricos y fotodiodos, en los que la carga de salida del dispositivo se convierte en voltaje.

Los amplificadores de carga también se utilizan ampliamente en instrumentos que miden radiaciones ionizantes, como el contador proporcional o el contador de centelleo, donde se debe medir la energía de cada pulso de radiación detectada debido a un evento ionizante. La integración de los pulsos de carga del detector proporciona una traducción de la energía del pulso de entrada a una salida de voltaje pico, que luego se puede medir para cada pulso. Normalmente, esto pasa a circuitos de discriminación o a un analizador multicanal.

Otras aplicaciones se encuentran en los circuitos de lectura de generadores de imágenes CCD y conjuntos de detectores de rayos X de panel plano. El amplificador es capaz de convertir la carga muy pequeña almacenada dentro de un condensador de píxeles en un nivel de voltaje que puede procesarse fácilmente. Algunos amplificadores de pastillas de guitarra también utilizan amplificadores de carga.

Las ventajas de los amplificadores de carga incluyen:

• Permite mediciones cuasiáticas en ciertas situaciones, como presiones constantes en un piezo de duración varios minutos
• Los transductores piezoeléctricos con salida de carga y amplificadores de carga externa se pueden utilizar a temperaturas más altas que aquellos con electrónica interna
• La ganancia depende sólo del condensador de retroalimentación, a diferencia de los amplificadores de tensión, que son afectados grandemente por la capacitancia de entrada del amplificador y la capacitancia paralela del cable