压电加速度传感器输出的电荷量很小,不能用一般的测量电路测量。一般的测量电路输入阻抗较低,而压电加速度计内阻很高[1],为了阻抗匹配,要求后续测量电路输入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配,会导致传感器上的电荷经过测量电路之后会泄露掉,造成测量误差。因此,需要设计,方便一般的信号处理电路来处理压电加速度传感器采集到的信号。是用于将电荷转换成电压的运算放大电路,从而变化的电缆分布电容不会影响电荷的测量结果[2].因此设计性能良好的在测量系统中具有重要的意义。

1电荷放大器设计存在的技术难点[3]

电荷放大器设计存在的技术难点主要有三个方面:传感器方面、运算放大器方面、反馈电容的选取方面。

传感器部分主要有:(1)输出信号较小。(2)传感器的频率范围很大。现在精度高的传感器低频可以做到0.000 01 Hz,接近直流,高频可以到达1.2 kHz,对运放的响应频率要求很高。同时低频时,输出的信号幅度较小,信号很微弱。

运算放大器方面:电荷放大器的反馈电阻非常大,通常在150 M?赘以上。因而对运算放大器的要求是具有很低的偏置电流和很高的输入阻抗。如果要制作频带响应非常好的电荷放大器,反馈电阻通常在1 G?赘以上,即使是纳安级别的偏置电流也会产生数伏以上的偏压。

反馈电容Cf的选取方面:电荷放大器是一个深度负反馈的高增益放大器。要求反馈电容具有时间和温度稳定性好等高性能。

2电荷放大器原理简介

压电加速度传感器与电荷放大器的连接示意图如图1[4]:



3电荷放大器设计

3.1选择元件

3.1.1选择运放

经过前文的讨论,制作一个高质量的电荷放大器是相当困难的事情,首先要选取合适的芯片。压电加速度的特性要求电荷放大器输入电阻应该无穷大,偏置电流无穷小。传感器输出的电荷信号比较微弱,需要运放具有宽频段,增益足够大。本设计在经过多方综合考虑之后,选择ADI公司的芯片来设计电荷放大器。具有低偏置电流,低偏置电压,具有8 MHz的带宽,具有高增益特性[5].符合设计所需参数要求。

3.1.2反馈电容的选择

由式子可知,电荷放大器中输出电压只与反馈电容Cf有关,Cf决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大器的频率响应特性。电容性能的好坏直接决定着电荷放大器是否稳定。本设计要求电容具有大的泄露电阻、吸附效应小、稳定性高等高性能。经过综合考虑,选择聚苯乙烯电容做反馈电容。同时,对于电荷放大器,电缆线要尽可能短,反馈电容尽可能大,减少干扰。本设计选用1 000 pF的电容值的电容。



AI为传感器电缆输入的SMA接口,R30电阻用来消除在电缆传输中带入的噪声干扰。BAV199是稳压保护电路,防止电路电压一时过高,对放大器有影响。BAV199可以将电路工作电压限制在-2.6 V到2.6 V之间。R22与C181为反馈电阻及反馈电容。电路实现了电荷放大功能,完成了预期要求。

本文从电荷放大器的基本原理出发,分析了电荷放大器的原理,以及设计过程中应该注意的事项,设计出一个应用于电机状态检测系统的电荷放大器。