电荷放大器误差分析：电缆电容的影响

1.电荷放大器工作原理

由于电压放大器使所配接的压电式传感器电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆更换应重新标定，发展出远距离测量电荷放大器，被认为是一种较好的冲击测量放大器。远距离测量电荷放大器是一种具有深度电容负反馈高增益运算放大器，其等效电路如图4-7 所示，图中Ra 和Ri 视为无限大而加以忽略，当容抗远小于电阻Rf，折算到输入端等效阻抗如下：

当K 足够大时，(1 + K)Cf ＞＞(Ci + Cc + Ca)，Cf 为反馈电容：

输出电压usc 正比于输入电荷Q，且输出、输入反相，而且输出灵敏度不受电缆分布电容的影响。

图4-7 电荷放大器等效电路

2.误差分析

电缆电容Ci 在远距离传输时会影响测量结果，Ci 太小时可以忽略。增大Cf 或者K 可减小测量误差，产生的测量误差如下：

3.频率响应

低频条件下反馈电导Gf 值可以与jωCf 相比较时，Gf(1+K)不能忽略，且在Gf(1+K)＞＞Ca +Cc +Ci 情况下，有

其幅值为

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频率越低Cf 越不能忽略，若反馈电导增加到Gf =ωCf，有

式(4-23)为增益下降3 dB 时下限截止频率的电压输出值，下限截止频率为

式中，Rf 为反馈电阻。低频时输出电压和输入电荷之间的相位差如下：

下限截止频率时，Gf =ωCf，Φ = arctan1 = 45° ，截止频率有45°相移，在冲击测量时要特别关注。

频率上限主要取决于运算放大器频率响应。电缆太长引起杂散电容和电缆电容增加，电缆导线电阻Rc 也增加，均影响放大器高频特性，通常可以忽略，上限频率为

4.差动电荷放大器

高温条件下工作的压电式传感器，温度升高时自身绝缘电阻显著下降，为避免强大地电场回路对测试系统造成干扰，需设计成压电元件与传感器壳体间相互绝缘。这种绝缘式结构要求信号线用双线引出，且屏蔽线需与机壳相连。单端输入式普通电荷放大器难以满足使用要求，便产生了差动式电荷放大器。差动式电荷放大器双点反馈电荷交换级电路原理如图4-8 所示。

图4-8 双点反馈电荷交换级电路原理

双点反馈就是除了负反馈外还同时利用倒相后的输出端向正输入端反馈，它的优点是：增益基本上不受信号输入线到公共地线电容平衡值或者绝对值的影响，可与对地绝缘的差动式对称输出的压电传感器联用，仅感受传感器差动输入电荷信号，并将其转换为低阻电压信号，具有抑制共模电压干扰信号能力，并可以把杂散电磁场和电缆噪声影响减至最小。Q12为差动输入电荷。差动电荷放大器输入/输出特性如下：