Quelltext der Seite Ladungsverstärker

Ein '''Ladungsverstärker''', auch als [[Operationsverstärker#Integrierer|Strom-Integrierer]] bezeichnet, ist in der [[elektrische Messtechnik|elektrischen Messtechnik]] ein Wandler der eine bestimmte [[Elektrische Ladung|elektrische Ladungsmenge]] in eine dazu proportionale [[elektrische Spannung]] umwandelt. Da wegen der unterschiedlichen Einheiten kein Verstärkungsfaktor im eigentlichen Sinn definierbar ist, handelt es sich genau genommen um keinen Verstärker. Die elektrische Messschaltung basiert auf einem [[Operationsverstärker]], welcher als [[Operationsverstärker#Integrierer|Integrierer]] arbeitet, aber mit einem sehr kleinen Eingangswiderstand ausgeführt ist. Idealerweise beträgt der Eingangswiderstand eines Ladungsverstärkers 0&nbsp;[[Ohm (Einheit)|Ω]], stellt also einen Kurzschluss dar. Als Erfinder des Ladungsverstärkers gilt [[Walter Kistler]], der diesen 1950 zum Patent anmeldete.

== Anwendungen ==
Dieser Wandler wird eingesetzt, wenn es gilt, extrem geringe Ladungsmengen zu messen, die beispielsweise in [[Elektrofeldmeter]]n, [[Piezoelektrischer Sensor|piezoelektrischen Sensoren]] (Messen von Druck- und Verformungsereignissen) und [[Photodiode]]n (Lichtmengenmessung) erzeugt werden. Die Verwendung von mehrkanaligen [[CCD-Sensor]]en erfordert stets mehrere Ladungsverstärker.

== Vorteile des Ladungsverstärkers ==
Die sehr geringe Eingangsimpedanz dieser Schaltung schließt die Kapazitäten dieser Sensoren kurz, weshalb auch längere abgeschirmte Kabel zwischen Sensor und Wandler möglich sind. Weil der Sensor „virtuell kurzgeschlossen“ ist, werden Probleme bei hoher Temperatur und Verschmutzung reduziert. Die Verringerung der [[Zeitkonstante]] gegenüber der einfacheren Widerstandsbelastung erlaubt auch hohe Messfrequenzen.

Sensoren mit Ladungsausgang lassen sich prinzipiell auch an Spannungsverstärkern mit sehr hohem Eingangswiderstand betreiben.
Entscheidende Nachteile dabei sind jedoch, dass der so entstandene RC-[[Tiefpass]] hohe Frequenzen dämpft und dass die Ausgangsspannung von der dem Eingang parallel liegenden Kapazität abhängig ist, weil sich die Sensorspannung ändert. Deshalb muss die Summe von Sensor-Eigenkapazität, der Kabelkapazität ''C<sub>c</sub>'' und der Eingangskapazität des Verstärkers ''C<sub>inp</sub>'' umgeladen werden. Beim Ladungsverstärker besteht diese Abhängigkeit nicht, da sich diese beiden Kapazitäten an der „virtuellen Masse“ des Operationsverstärkers befinden und die Sensorspannung stets den Wert Null hat.

== Schaltung ==
[[Datei:Charge amplifier.png|rechts|mini|303px|Schaltung eines Ladungsverstärkers mit einem piezoelektrischen Sensor]]
Ladungsverstärker werden üblicherweise mit [[feldeffekttransistor|FET]]- oder [[Complementary metal-oxide-semiconductor|CMOS]]-[[Operationsverstärker]]n realisiert, wobei ihre Besonderheit in der kapazitiven Rückkopplung besteht. Er gleicht dem [[Operationsverstärker#Integrierer|Integrator]]. Der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers liegt auf Massepotenzial. In den invertierenden Eingang wird die zu messende Ladung eingeleitet. Die parallel zum Eingang gezeichneten Kapazitäten ''C<sub>c</sub>'' und ''C<sub>inp</sub>'' sind nicht für die Funktion erforderlich, jedoch nicht vermeidbar, siehe oben. Der Operationsverstärker sorgt dafür, dass sich am invertierenden Eingang (-) ebenfalls Massepotenzial einstellt ([[Virtuelle Masse (Elektronik)|virtueller Nullpunkt]]). Die Spannung am Eingang des Ladungsverstärkers (''u<sub>inp</sub>'') ist also bei ungeladenem ''C<sub>f</sub>'' Null.

In den Knotenpunkt am invertierenden Eingang fließen die vom Sensor kommende Ladung ''q<sub>in</sub>'' und die kapazitiv vom Ausgang rückgekoppelte Ladung ''q<sub>f</sub>''. Gemäß der [[Kirchhoffsche Regeln|Knotenregel]] kompensieren sich beide Ladungen, das heißt

: <math>q_{in}=-q_f</math>.

Die Ausgangsspannung des Ladungsverstärkers berechnet sich nach

:<math>u_{out}=\frac{q_f}{C_f}=-\frac{q_{in}}{C_f}</math>

Sie ist also proportional zur Eingangsladung ''q<sub>in</sub>'' mit invertiertem [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]].

Die Rückkoppelkapazität ''C<sub>f</sub>'' bestimmt die Verstärkung, ist ''C<sub>f</sub>'' klein, führt eine sich ändernde Ladung am Eingang zu einem größeren Spannungshub.

Der Widerstand ''R<sub>f</sub>'' über dem Rückkoppelkondensator ist prinzipiell nicht Bestandteil, er dient jedoch zur Herstellung eines Nullpunktes der Ausgangsspannung. Ohne ''R<sub>f</sub>'' wäre die Gleichspannungsverstärkung der Schaltung sehr hoch und [[Offset-Spannung|Biasströme]] der Operationsverstärkereingänge würden dazu führen, dass sich die Gleichspannung am Ausgang langsam und stetig bis zur [[Übersteuern (Signalverarbeitung)|Übersteuerung]] ändert. Bei manchen Ladungsverstärkern ist ''R<sub>f</sub>'' durch einen Reset-Schaltkontakt (Taste, Relais, Feldeffekttransistor) ersetzt. Damit kann vor der Messung oder periodisch die Spannung am Ausgang auf Null gesetzt werden. Der Widerstand ''R<sub>f</sub>'' bestimmt die untere [[Grenzfrequenz]] des Ladungsverstärkers:

:<math>f_u=\frac{1}{2 \pi R_f C_f}</math>

Bedingt durch die beschriebenen Gleichspannungseinflüsse und die endlichen Isolationswiderstände zwischen Eingang und ''C<sub>f</sub>'' ist ein Ladungsverstärker nicht zur Messung statischer (stehender) Ladungen geeignet. Da jedoch untere Grenzfrequenzen von weniger als 0,1 Hz erreichbar sind, spricht man von quasistatischer Messung.

[[Datei:Charge amplifier.jpg|rechts|mini|303px|Ladungsverstärker für piezoelektrische Sensoren]]
Praktisch realisierte Ladungsverstärker enthalten oft weitere Komponenten, zum Beispiel zusätzliche Spannungsverstärker, Umschalter zur Anpassung an die Sensorempfindlichkeit, [[Hochpass|Hoch-]] und [[Tiefpass]]-Filter und Schaltungen zur Pegelkontrolle.

== Besonderheiten ==
Die von Sensoren mit Ladungsausgang erzeugten Signale betragen unter Umständen nur wenige [[femto|f]][[Coulomb|C]] (10<sup>−15</sup>&nbsp;[[Coulomb]]). Daher sind elektrische Störfelder abzuschirmen.

Aufgrund der geringen [[Impedanz]] ist der Übertragungsweg auch empfindlich für bezüglich Hin- und Rückleitung veränderliche magnetische Felder.

Aus den genannten Gründen werden Koaxialkabel eingesetzt. Ein störender Effekt solcher Kabel ist die Verschiebung kleinster Ladungen bei Deformation des Kabels. Bereits leichte Bewegungen des Kabels können die Messung erheblich verfälschen. Man verwendet daher Spezialkabel mit einer Leitbeschichtung auf dem [[Dielektrikum]]. Die Kabellänge zwischen Sensor und Verstärker kann oft nur wenige Meter betragen.

Um bei Piezosensoren die mit dem Kabel verbundenen Probleme zu umgehen, werden [[IEPE]]-kompatible Sensoren angeboten, die an einen Spannungsverstärker angeschlossen werden können. Sie enthalten einen Impedanzwandler ähnlich [[Elektretmikrofon]]en und werden wie diese über die Signalleitung gespeist.

Es gibt auch Sensoren mit integriertem Ladungsvorverstärker (Remote Charge Converter) mit [[IEPE]]-Ausgang, die geringere Spannungsverstärkung erfordern.

== Weblinks ==
* [http://mmf.de/messtechnik.htm] Ladungsverstärker-Grundlagen, Metra Meß- und Frequenztechnik
* [http://focus.ti.com/lit/an/sloa033a/sloa033a.pdf Signal Conditioning Piezoelectric Sensors] (PDF; 60&nbsp;kB) Applikationsschrift, 2000, Texas Instruments
* [https://de.f3lix-tutorial.com/signal-electronics Signalwandler (Ladungsverstärker) für piezoelektrische Aufnehmer] ausführliche Erklärung

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[[Kategorie:Elektrische Messtechnik]]