电荷放大器 如何设计压电传感器的电荷放大器

。电荷放大器使用基本的积分器拓扑，即反馈路径中的电容产生与输入电流积分成比例的输出电压，反馈路径中的电阻防止放大器饱和。

单电源系统

输出电压将高于和低于连接到同相输入端的电压。如果您的运算放大器有负电源轨，您可以将此端子接地。如果您使用单电源系统，通常需要提供偏置电压。在上图中，偏置电压为V CC/2。这是一个合理的选择，因为当没有输入信号时，输出将在电源范围的中间，因此正和负信号摆幅可用的电压最大化。

但是，VC/2绝不是每个设计的正确选择。如果知道输出信号的正偏差大于负偏差，可以选择更接近地的偏置电压。举个例子，我曾经设计过一个放大器电路，其中输入信号是脉冲状的正偏移，但是放大器前的交流耦合在脉冲结束时造成了很小的负偏移。如果我没记错的话，我用的是3.3 V的电源电压和0.5 V的偏置电压。0.5 V偏置足以维持负偏置特性，正偏置的动态范围明显高于使用V CC/2偏置得到的动态范围。

输入电阻

上面显示的电路可以受益于压电传感器和反相输入端之间的输入电阻:

该电阻通过限制可能连接到反相输入端的任何电压产生的电流量来保护运算放大器。当然，我们不期望压电传感器产生危险的电压；相反，这里关注的是ESD攻击等缺陷。如果您在良好的环境中操作，并且在使用敏感元件时小心接地，您可能不需要担心破坏性电流。然而，传感器通常用于危险电气条件普遍存在的工业环境。在这种情况下，包含保护电路是有意义的。

即使不需要R IN作为保护元件，也要考虑将其纳入电路中。AAC的一位撰稿人向我解释说，连接在传感器和反相输入端之间的电阻可以防止与振幅峰值甚至高频振荡相关的问题。他建议使用100ω至1kω的电阻。

录放幅频响应

理想化的积分器——即反馈路径中只有电容而没有输入电阻的版本——在低频、中频和高频下表现出相同的行为。然而，一旦我们开始添加电阻，我们就必须考虑电路的频率响应。

低频衰减

反馈电阻使电路在低频时表现得像一个高通滤波器。截止频率计算如下:

F

惠普

= 1

2 π[R

F

C

F

FHP=12πRFCF

反馈电阻不影响增益。所以你可以根据系统要求的增益来选择C F的值，然后确定产生合适频率响应的R F的值。这里的折衷是低频增益和电阻对电容放电并为反相输入端提供DC偏置电流路径的能力。从方程中可以看出，R F的电阻越低，产生的截止频率越高，意味着低频传感器信号会被衰减。这就是为什么为射频选择的值通常非常大-1ω可能是一个很好的起点，它可以根据所需的低频性能调整到100ω或高达10ω。

高频衰减

在最后一篇文章中，我指出，在许多情况下，压电传感器信号的电荷放大优于电压模式放大，因为电荷放大器的增益不受电缆电容的影响。当我们包括电阻器R IN时，这种情况将会改变。频率范围中间的增益与电缆电容无关，但与反相输入端串联的电阻与电缆电容相结合，导致高频滚降。因此，我们现在有一个高通响应和一个低通响应。

低通截止频率由下式给出:请注意，C P包括压电传感器的内部电容、电缆电容以及与传感器并联的任何其他电容。

F

L P .

= 1

2 π[R

C

P

FLP=12πRINCP

在大多数情况下，这种高频滚降不会对电路产生负面影响，因为截止频率将远远高于压电传感器测量的物理变化的频率范围。但是，最好注意这个效果。如果出于某种原因，您有非常大的输入电阻或并联电容，这可能非常重要。

了解电荷放大器的频率响应

如果你试图模拟电荷放大器电路的频率响应，你可能会对结果感到困惑。例如，我为一个C F = 100 nF、r f = 1 mω、R IN = 100Ω、C P = 1 nF的电路生成了以下伯德图。

图中显示低频无衰减，极点在1 Hz左右，第二极点在1 MHz左右。考虑到模拟中使用的分量值，这两个频率是有意义的，但是整体行为与上述频率响应不一致。为了理解这种情况，我们必须记住，电路的幅度响应不同于作为积分器的电路功能的增益响应。理想积分器的频率响应对应于一条斜率为-20dB/十进制的均匀线。因此，积分发生在电路波特图斜率为-20dB/十倍的频率，当斜率偏离该值时，电路的积分器增益降低。