مضخم الشحن

مضخم الشحنة هو جهاز تكامل تيار إلكتروني ينتج جهد خرج يتناسب مع القيمة المتكاملة لتيار الإدخال، أو إجمالي الشحنة المحقونة.

يُعادل المُضخّم تيار الدخل باستخدام مكثف مرجعي للتغذية الراجعة، ويُنتج جهد خرج يتناسب عكسيًا مع قيمة المكثف المرجعي، ولكنه يتناسب طرديًا مع إجمالي شحنة الدخل المتدفقة خلال الفترة الزمنية المحددة. ولذلك، تعمل الدائرة كمُحوّل شحنة إلى جهد. ويعتمد كسب الدائرة على قيم مكثف التغذية الراجعة.

تم اختراع مضخم الشحنة بواسطة والتر كيستلر في عام 1950.

عادة ما يتم بناء مكبرات الشحنة باستخدام مكبر تشغيلي أو دائرة أشباه موصلات أخرى ذات كسب عالٍ مع مكثف تغذية عكسية سالبة C _f .

يتدفق إلى العقدة العاكسة إشارة الشحنة المدخلة q _in وشحنة التغذية الراجعة q _f من المخرج. ووفقًا لقوانين كيرشوف للدوائر الكهربائية، فإنهما يعوضان بعضهما البعض.

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

تتناسب شحنة الدخل وجهد الخرج تناسباً طردياً معكوساً. وتحدد مكثفة التغذية الراجعة C _f التضخيم.

${\displaystyle v_{out}={\frac {q_{f}}{C_{f}}}=-{\frac {q_{in}}{C_{f}}}}$

تكون مقاومة دخل الدائرة شبه معدومة بسبب تأثير ميلر . وبالتالي، فإن جميع السعات الطفيلية (سعة الكابل، وسعة دخل المضخم، وما إلى ذلك) تُعتبر موصولة بالأرض عمليًا، ولا تؤثر على إشارة الخرج. ^{[ 1 ]}

تقوم مقاومة التغذية الراجعة Rf بتفريغ المكثف. بدون _Rf ، _{سيكون كسب التيار المستمر مرتفعًا جدًا ،} بحيث يظهر حتى تيار الإزاحة المدخلي الصغير جدًا لمضخم العمليات مُضخّمًا بشكل كبير عند الخرج. _تحدد Rf و Cf الحد الأدنى لتردد مضخم الشحنة.

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

نظراً لتأثيرات التيار المستمر المذكورة ومقاومات العزل المحدودة في مضخمات الشحنة العملية، فإن الدائرة غير مناسبة لقياس الشحنات الساكنة. مع ذلك، تسمح مضخمات الشحنة عالية الجودة بإجراء قياسات شبه ساكنة عند ترددات أقل من 0.1 هرتز. كما يستخدم بعض المصنّعين مفتاح إعادة ضبط بدلاً من المقاومة _{Rf لتفريغ} المكثف Cf يدوياً قبل القياس.

تتضمن مضخمات الشحنة العملية عادةً مراحل إضافية مثل مضخمات الجهد، وضبط حساسية المحول، ومرشحات التمرير العالي والمنخفض، والمكاملات، ودوائر مراقبة المستوى.

قد تصل إشارات الشحنة عند مدخل مضخم الشحنة إلى بضعة فيمتوكولوم (10⁻¹⁵ ^كولوم ). ومن التأثيرات الطفيلية لكابلات الاستشعار المحورية الشائعة انزياح الشحنة عند انحناء الكابل. حتى الحركة الطفيفة للكابل قد تُنتج إشارات شحنة كبيرة يصعب تمييزها عن إشارة المستشعر. وللحد من هذه التأثيرات، طُوّرت كابلات خاصة منخفضة الضوضاء ذات طبقة عازلة موصلة داخلية.

تشمل التطبيقات الشائعة تضخيم الإشارات من أجهزة مثل أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية والثنائيات الضوئية ، حيث يتم تحويل خرج الشحنة من الجهاز إلى جهد كهربائي.

تُستخدم مُضخِّمات الشحنة على نطاق واسع في أجهزة قياس الإشعاع المؤين ، مثل العداد النسبي أو عداد الوميض ، حيث يجب قياس طاقة كل نبضة من الإشعاع المُكتشف نتيجةً لحدث تأين. يُؤدي تكامل نبضات الشحنة من الكاشف إلى تحويل طاقة نبضة الإدخال إلى جهد ذروة خرج، والذي يُمكن قياسه لكل نبضة. عادةً ما يُرسل هذا الجهد بعد ذلك إلى دوائر التمييز أو محلل متعدد القنوات .

تُستخدم هذه التقنية أيضًا في دوائر قراءة الصور في أجهزة التصوير CCD ومصفوفات كاشفات الأشعة السينية المسطحة . يستطيع المُضخّم تحويل الشحنة الصغيرة جدًا المُخزّنة داخل مكثف البكسل إلى مستوى جهد يُمكن معالجته بسهولة. كما تستخدم بعض مُضخّمات التقاط الصوت في الغيتار مُضخّمات الشحنة.

تشمل مزايا مضخمات الشحنة ما يلي:

• يُمكّن من إجراء قياسات شبه ثابتة في حالات معينة، مثل الضغوط الثابتة على عنصر بيزو تستمر لعدة دقائق ^{[ 2 ]}
• يمكن استخدام محولات الطاقة الكهروإجهادية ذات خرج الشحنة ومضخمات الشحنة الخارجية في درجات حرارة أعلى من تلك التي تحتوي على إلكترونيات داخلية ^{[ 2 ].}
• يعتمد الكسب فقط على مكثف التغذية الراجعة، على عكس مكبرات الجهد، التي تتأثر بشكل كبير بسعة الإدخال للمكبر والسعة المتوازية للكابل ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• الحصول على معاوقة صفرية افتراضية بتطبيق نظرية ميلر
• مضخم نقل الشحنة

• دوائر الربط البيني لأغشية فلوريد البولي فينيليدين
• مخطط تخطيطي
• شرح مُعدِّلات إشارة بيزو