基于AD8601的電荷放大器的設(shè)計(jì)

朱新翔，陳江偉，紀(jì)曉輪，唐 平，謝奇峰

（江蘇國(guó)電南自海吉科技有限公司，江蘇 南京 210009）

壓電加速度傳感器輸出的電荷量很小，不能用一般的測(cè)量電路測(cè)量。一般的測(cè)量電路輸入阻抗較低，而壓電加速度計(jì)內(nèi)阻很高[1]，為了阻抗匹配，要求后續(xù)測(cè)量電路輸入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，會(huì)導(dǎo)致傳感器上的電荷經(jīng)過(guò)測(cè)量電路之后會(huì)泄露掉，造成測(cè)量誤差。因此，需要設(shè)計(jì)電荷放大器，方便一般的信號(hào)處理電路來(lái)處理壓電加速度傳感器采集到的信號(hào)。電荷放大器是用于將電荷轉(zhuǎn)換成電壓的運(yùn)算放大電路，從而變化的電纜分布電容不會(huì)影響電荷的測(cè)量結(jié)果[2]。因此設(shè)計(jì)性能良好的電荷放大器在測(cè)量系統(tǒng)中具有重要的意義。

1 電荷放大器設(shè)計(jì)存在的技術(shù)難點(diǎn)[3]

電荷放大器設(shè)計(jì)存在的技術(shù)難點(diǎn)主要有三個(gè)方面：傳感器方面、運(yùn)算放大器方面、反饋電容的選取方面。

傳感器部分主要有：（1）輸出信號(hào)較小。（2）傳感器的頻率范圍很大?，F(xiàn)在精度高的傳感器低頻可以做到0.000 01 Hz，接近直流，高頻可以到達(dá) 1.2 kHz，對(duì)運(yùn)放的響應(yīng)頻率要求很高。同時(shí)低頻時(shí)，輸出的信號(hào)幅度較小，信號(hào)很微弱。

運(yùn)算放大器方面：電荷放大器的反饋電阻非常大，通常在150 MΩ以上。因而對(duì)運(yùn)算放大器的要求是具有很低的偏置電流和很高的輸入阻抗。如果要制作頻帶響應(yīng)非常好的電荷放大器，反饋電阻通常在1 GΩ以上，即使是納安級(jí)別的偏置電流也會(huì)產(chǎn)生數(shù)伏以上的偏壓。

反饋電容Cf的選取方面：電荷放大器是一個(gè)深度負(fù)反饋的高增益放大器。要求反饋電容具有時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好等高性能。

2 電荷放大器原理簡(jiǎn)介

壓電加速度傳感器與電荷放大器的連接示意圖如圖1[4]：

圖1 電荷放大器連接圖

由“虛地”原理可知，反饋電容Cf折合到放大器的輸入端的有效電容C′f為，

反饋電阻Rf等效到放大器的輸入端的有效電阻為[16]

設(shè)運(yùn)放開環(huán)增益為A，則輸出電壓為

在實(shí)際電路中，運(yùn)算放大器的增益A＞＞1，同時(shí)運(yùn)算放大器輸入阻抗高，則此時(shí)，可以忽略傳感器自身電阻Ra、自身電容 Ca，放大器輸入電阻 Ri、輸入電容 Ci，電纜電容Cc。同時(shí)在頻率較高時(shí)可以忽略反饋電阻等效到輸入端的電阻。則在頻率高時(shí)放大器的輸出成為

由式子（4）可以知道在電荷放大器中，輸出電壓只與電荷量成正比。

電荷放大器中，運(yùn)算放大器采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移很大。為了使工作穩(wěn)定，在反饋電容兩端并聯(lián)了電阻Rf用來(lái)穩(wěn)定放大器工作點(diǎn)。

3 電荷放大器設(shè)計(jì)

3.1選擇元件

3.1.1選擇運(yùn)放

經(jīng)過(guò)前文的討論，制作一個(gè)高質(zhì)量的電荷放大器是相當(dāng)困難的事情，首先要選取合適的芯片。壓電加速度的特性要求電荷放大器輸入電阻應(yīng)該無(wú)窮大，偏置電流無(wú)窮小。傳感器輸出的電荷信號(hào)比較微弱，需要運(yùn)放具有寬頻段，增益足夠大。本設(shè)計(jì)在經(jīng)過(guò)多方綜合考慮之后，選擇ADI公司的AD8601芯片來(lái)設(shè)計(jì)電荷放大器。AD8601具有低偏置電流，低偏置電壓，具有8 MHz的帶寬，具有高增益特性[5]。符合設(shè)計(jì)所需參數(shù)要求。

3.1.2反饋電容的選擇

由式子可知，電荷放大器中輸出電壓只與反饋電容Cf有關(guān)，Cf決定了電荷轉(zhuǎn)電壓輸出的大小以及電荷放大器的頻率響應(yīng)特性。電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)要求電容具有大的泄露電阻、吸附效應(yīng)小、穩(wěn)定性高等高性能。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇聚苯乙烯電容做反饋電容。同時(shí)，對(duì)于電荷放大器，電纜線要盡可能短，反饋電容盡可能大，減少干擾。本設(shè)計(jì)選用1 000 pF的電容值的電容。

3.1.3反饋電阻

電路采用了電容反饋，會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移較大。電荷放大器對(duì)直流的漂移很敏感。為了使電荷放大器穩(wěn)定工作，在反饋電容上并聯(lián)了一個(gè)反饋電阻。由電荷放大器的下限截止頻率f=可知，在 C一定情況下，要Lf保證下限截止頻率，反饋電阻Rf必須盡可能的大[6]。本設(shè)計(jì)反饋?zhàn)柚颠x擇1 GΩ的高精度電阻。

3.2設(shè)計(jì)電路

綜上所述，完成了電荷放大器的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)如圖2所示。

AI為傳感器電纜輸入的SMA接口，R30電阻用來(lái)消除在電纜傳輸中帶入的噪聲干擾。BAV199是穩(wěn)壓保護(hù)電路，防止電路電壓一時(shí)過(guò)高，對(duì)放大器有影響。BAV199可以將電路工作電壓限制在-2.6 V到2.6 V之間。R22與C181為反饋電阻及反饋電容。電路實(shí)現(xiàn)了電荷放大功能，完成了預(yù)期要求。

本文從電荷放大器的基本原理出發(fā)，分析了電荷放大器的原理，以及設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，設(shè)計(jì)出一個(gè)應(yīng)用于電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的電荷放大器。

[1]查萬(wàn)紀(jì).壓電加速度傳感器測(cè)量電路的研究與設(shè)計(jì)[D].安徽：安徽大學(xué)，2005.

[2]王昊.集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 360例[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]謝靜.新型電荷放大器設(shè)計(jì)[D].陜西：西安理工大學(xué)，2008.

[4]徐賽秋，楊新堯.振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中雙積分電荷放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1994（4）：75-82.

[5]ADI.AD8601數(shù)據(jù)手冊(cè).2000.

[6]魏東，張志杰，裴東興.電荷放大器可靠性分析[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007，33（1）.