电荷放大器及其应用探析

由于一些传感器是利用压电效应设计制造的，因此，这类传感器的阻抗很高呈容性，输出信号微弱，以电荷计。传感器自身和传输电缆分布电容的影响，以及绝缘下降等，造成电荷泄漏，都会降低测量的精确度。通常使用电荷放大器作为前置放大器来解决这一问题。

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷成正比的放大器，图12.3-1所示电路为压电传感器与电荷放大器连接的等效电路，以此分析电荷放大器的基本性能。

图12.3-1　电荷放大器原理图

图中q为压电传感器产生的电荷量；Ca为传感器自身的等效电容；Cc为电缆的等效电容；Ci为放大器输入端等效电容；Cf为电荷放大器反馈电容；Rf为并联在反馈电容两端的反馈电阻和等效漏电阻；A为运算放大器开环增益。

在忽略电阻Rf的情况下，反馈电容折合到放大器输入端的有效电容C′f为

此时，运算放大器的输入阻抗等于电容Ca、Cc、Ci和－Cf（A－1）并联阻抗，等效到放大器输入端的电压可写成

因此，得到放大器的输出电压为

如果A在104以上，Cf不小于100Pf，则Cf（A－1）≫（Ca＋Cc＋Ci），这样传感器自身电容Ca、电缆分布电容Cc和放大器输入电容Ci均可忽略不计，放大器输出电压可近似为

式（12.3-4）说明了电荷q经过反馈电容Cf换成电压uo的函数关系。输出灵敏度取决于Cf，Cf愈小灵敏度愈高，但Cf过小灵敏度会下降，这是由于传输电缆电容Cc相对传感器自身的电容Ca而言，已不能忽略的原因。由于放大器是电容反馈，对于直流工作点相当于开环，零漂很大。为了稳定工作点，减小零漂，通常在电容Cf的两端并联一反馈电阻Rf，形成直流反馈。为保证一定的灵敏度，应取ACf＞10Cc，Rf在1010Ω以上。图12.3-2所示压电加速度传感器前置级电路，所用加速度传感器为PV-96，灵敏度每个g约为10000p C，静电容量Ca约为6000pF，绝缘电阻大于10GΩ，振动频率在0.1～100Hz之间。(www.xing528.com)

图12.3-2中，R1是运算放大器的输入保护电阻，避免输入过高，造成运算放大器损坏。运算放大器应低漂移、高输入阻抗、宽频带，增益大于80dB。要求电容Cf泄漏电阻高，集肤效应小，而且有小温度系数和长时间的稳定性。输入部位使用聚四氟乙烯绝缘支架，避免电荷泄漏，影响测量结果。传感器的频率特性由下式决定

由于电荷放大器的噪声为VN1［（Ca＋Cc）/Cf＋1］，将传感器的灵敏度设为g0/g，该噪声换算成噪声电平

由式（12.3-6）可看出降低噪声的有效办法是减小Cf，但考虑式（12.3-4）和式（12.3-5）减小Cf应有界限。此例中Cf＝300pF，Rf＝10GΩ，g换算噪声电平的实测值在0.1～10Hz之间为0.6×10－6g。PV-96微振动检测仪，其测量范围是：加速度2×10－6g～10－1g，振动频率0.1～100Hz。

图12.3-2　加速度传感器前置级

图12.3-3　双点反馈差动式电荷放大器

图12.3-3为差动式电荷放大器。其优点为：

（1）放大器增益基本上不受从每个信号输入线到公共地线电容平衡值或绝对值的影响，可与对地绝缘的差动式对称输出电压传感器联用，增加了系统抗干扰能力。

（2）仅感受传感器的差动输入电荷信号并将其转换为电压信号。其输出-输入特性表示为

（3）具有抑制共模电压干扰的能力，并可把杂散磁场和电缆噪音的影响减至最小。