一種小型電荷放大電路設(shè)計(jì)*

李桂磊，徐 中，賀長(zhǎng)波

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

一種小型電荷放大電路設(shè)計(jì)*

李桂磊，徐 中，賀長(zhǎng)波

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

由于市場(chǎng)上銷售的電荷放大器價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)了一種低成本、小型電荷放大器。研究了電荷放大電路的原理，并依據(jù)原理設(shè)計(jì)了電荷放大器。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該放大器的可行性。實(shí)驗(yàn)證明，該電荷放大器動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，零點(diǎn)漂移小于20 mV。

電荷放大器；Multisim10；低成本；抗干擾

0 前言

由于壓電傳感器發(fā)生變形后產(chǎn)生的是電荷量，需要電荷放大電路進(jìn)行處理。壓電傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，領(lǐng)域涉及到航海、航空、醫(yī)療、防盜等等，且一些領(lǐng)域需要傳感器陣列，相對(duì)應(yīng)的需要多個(gè)電荷放大器。目前市場(chǎng)上電荷放大器價(jià)格昂貴，體積較大，不適合某些特定的場(chǎng)合，因此本文設(shè)計(jì)出一種低成本、電路相對(duì)簡(jiǎn)單的電荷放大電路，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路工作性能良好。

1 壓電傳感器壓力檢測(cè)原理

壓電材料經(jīng)過(guò)極化后，在外力的作用下上下表面會(huì)產(chǎn)生正負(fù)極性相反的電荷，即壓電效應(yīng)[1]。一定面積的壓電傳感元件受到的外力F與產(chǎn)生的電荷Q之間滿足下面的公式：

其中d33為壓電傳感元件在電軸和機(jī)械軸3方向上的應(yīng)變常數(shù)。

根據(jù)壓電傳感元件的正壓電效應(yīng)，壓電傳感元件可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的情況（見(jiàn)圖1（a））。等效電容量為

其中，Ca為壓電薄膜的等效電容；ε為介電常數(shù)；A為壓電薄膜的面積；δ為壓電薄膜的厚度。

當(dāng)兩板間聚集一定的電荷時(shí)，兩板間又出現(xiàn)一定的電壓，電壓值見(jiàn)式（3）。因此壓電傳感元件又可以等效為一電壓源與一個(gè)電容串聯(lián)的情況（見(jiàn)圖1（b））。

圖1 壓電傳感器等效電荷源和等效電壓源

其中，Ua為兩極板間的電壓；Q為兩極板上聚集的電荷量；Ca為兩極板間電容。

實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連，連接導(dǎo)線上存在寄生電容，其等效值為CC，前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci也會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的影響，加上壓電傳感器自身的絕緣電阻Ra，壓電傳感器的等效電路可以等效為圖2所示的電路。

圖2 壓電傳感器的完整等效電路

壓電傳感元件表面產(chǎn)生的電荷需要將其轉(zhuǎn)換為電壓后才能進(jìn)行后續(xù)的處理，由于壓電傳感元件自身的內(nèi)阻很高，達(dá)到1010Ω，而輸出的電荷信號(hào)很微弱，需要用輸入阻抗很高的前置放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，將高輸入阻抗轉(zhuǎn)化為低輸入阻抗，然后再用一般的放大檢波電路將信號(hào)輸入到檢測(cè)電路中。

前置放大器分為電壓放大器和電荷放大器，本文選擇電荷放大器。由于壓電傳感元件和電荷放大器的輸入阻抗很高，電荷放大器輸入端基本上沒(méi)有分流，因此可以略去Ra和Ri（如圖3）。圖3中Cf和Rf分別代表電荷放大器的反饋電容和反饋電阻。

電荷放大電路中，放大器的輸出電壓與輸入電荷之間的關(guān)系如式（4），通常合適的電荷放大器增益A的值在104～108，此時(shí)，(1+A)Cf＞＞Ca+Cc+Ci，因此式（4）可以近似化簡(jiǎn)為式（5）

圖3 電荷放大器作為前置放大電路

由式（5）可知，電荷放大器的輸出電壓U0只與輸入電荷Qa和反饋電容Cf相關(guān)，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與Qa成正比。所以，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜較長(zhǎng)，更換電纜線，其靈敏度也無(wú)明顯變化。

2 電荷放大電路的設(shè)計(jì)

壓電傳感元件表面受到外力作用產(chǎn)生的電荷被傳輸?shù)酵饨与娐分?，如果測(cè)試的是靜態(tài)力，則表面不再產(chǎn)生電荷。如果要測(cè)量靜態(tài)力，則電荷轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻阻值需要很大[2]。由于本文所設(shè)計(jì)的電荷轉(zhuǎn)換電路反饋電阻較小，適于測(cè)試壓電傳感元件的動(dòng)態(tài)力。電荷放大電路包括了前置放大電路、電壓放大電路、工頻陷波電路以及抑制零漂的直流反饋網(wǎng)絡(luò)。

2.1 前置放大電路

在動(dòng)態(tài)力的作用下，表面產(chǎn)生的電荷可以等效為電流。本文選擇AD549作為電荷轉(zhuǎn)換器，AD549[3]是具有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器。其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 AD549主要參數(shù)

該電路的低頻截止頻率 fL為公式（6）。由公式（6）可知增大電阻Rf和電容Cf都能夠獲得更低的低頻截止工作頻率。但是增大Rf，零點(diǎn)漂移也隨之增大；增大Cf，由式（5）可知輸出電壓減小。為了實(shí)現(xiàn)輸出的動(dòng)態(tài)歸零，本文選用T型電阻反饋，經(jīng)過(guò)計(jì)算其反饋電阻阻值Rf等于1.1 GΩ。反饋電容選擇200 pF，由公式（6）得到該電路的低頻截止頻率為0.724 Hz。

2.2 電壓放大電路

電壓放大器選用微功耗儀用放大器AD627[4]，其直流誤差小、共模抑制比高，放大倍數(shù)最大為1 000倍，只需調(diào)節(jié)1和8腳的外接電阻即可實(shí)現(xiàn)，適合微弱電壓信號(hào)的放大。其放大倍數(shù)計(jì)算公式為：

式中Rg為1腳和8腳的外接電阻。本文選取Rg為8kΩ，經(jīng)過(guò)計(jì)算其電壓放大倍數(shù)為30倍。壓電傳感元件產(chǎn)生的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路和電壓放大電路后，其輸出電壓Uk與傳感器產(chǎn)生電荷Δq之間關(guān)系式如式（8）

2.3 工頻陷波電路

壓電傳感元件靈敏度高，極易受到外界干擾，尤其是50 Hz工頻干擾。為了消除干擾，本文選用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的四階橢圓陷波器LMF90[5]。其陷波中心頻率（見(jiàn)式（9））可以通過(guò)外接晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文選擇外接晶振頻率為3.549 545 MHz，經(jīng)過(guò)計(jì)算后其陷波中心頻率為49.99 Hz。

其中 f0為陷波器的中心頻率； fx為外接晶振的頻率；div為時(shí)鐘分頻因子；ratio為時(shí)鐘頻率與陷波中心頻率比例因子。陷波帶寬由引腳1和10的外接電平來(lái)設(shè)定，本文使1和10腳接地，則陷波帶寬的計(jì)算值為13 Hz。

3 電荷放大電路Multisim10仿真

圖4 電荷放大電路Multisim10仿真圖

通過(guò)Multisim10對(duì)上面設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，由于Multisim10中沒(méi)有電荷源，而壓電傳感元件可以等效為電壓源與電容串聯(lián)的情況，因此本文選取100 mV的正弦波串聯(lián)一個(gè)電容C1等效壓電傳感元件[6]。仿真電路圖如圖4所示。通過(guò)修改電容C1，連接導(dǎo)線電容CC來(lái)觀察前置放大電路與電壓放大電路的輸出電壓幅值U0與Uk（結(jié)果見(jiàn)表2），Cf設(shè)置為200 pF。由于Multisim10中沒(méi)有LMF90芯片，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為50 Hz、放大倍數(shù)為1的典型二階帶阻濾波器，觀察其陷波效果。選擇R的值為32kΩ，C的值為100 nF。仿真時(shí)提供一個(gè)50 Hz和200 Hz的正弦信號(hào)，結(jié)果（圖5所示）表明帶阻濾波器對(duì)50 Hz的正弦波進(jìn)行了有效的抑制。

表2 C1/CC取不同值時(shí)仿真電壓輸出

由表2可知，使用電荷放大器作為前置放大器，連接導(dǎo)線的電容CC對(duì)靈敏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。表2也對(duì)公式（5）、（7）、（8）進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)也證明前置放大電路選擇AD549是可行的。

圖5 電荷放大電路Multisim10仿真效果圖

不施加電壓源的情況下，測(cè)試前置放大電路和電壓放大電路的輸出，通過(guò)示波器查看存在零點(diǎn)漂移，分別為5.138 mV和-146.717 mV。為了抑制零點(diǎn)漂移，本文選用AD711設(shè)計(jì)了直流反饋網(wǎng)絡(luò)（如圖4所示），加入直流反饋后電壓放大電路輸出電壓為-4.230 mv。本文在仿真的基礎(chǔ)上，搭建了硬件電路。

4 硬件電路搭建和檢測(cè)

硬件電路通過(guò)實(shí)驗(yàn)板搭建，芯片選擇為直插型。由于溫漂對(duì)電荷放大電路的影響較大，本文在搭建電路時(shí)選擇溫度性能較好的聚苯乙烯電容和金屬膜電阻，減少溫度的影響。在零輸入情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)AD549的調(diào)零電位器使電壓放大電路的輸出電壓歸零。電荷放大電路中使用的芯片都采用雙電源±5 V供電，通過(guò)ICL7660芯片提供-5 V電壓。使用Tektronix數(shù)字示波器檢測(cè)搭建的信號(hào)調(diào)理電路，在沒(méi)有輸入信號(hào)的條件下，零點(diǎn)漂移小于20 mV，對(duì)50 Hz工頻干擾進(jìn)行了有效的抑制。除工頻干擾外，信號(hào)調(diào)理電路受到的干擾主要包括高頻噪聲干擾、聲干擾和電纜噪聲干擾。為了更好地抑制干擾，設(shè)計(jì)制作了鋁屏蔽箱。

采用錦州科信公司生產(chǎn)的聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器驗(yàn)證搭建的電荷放大電路的可行性，其厚度為30μm，尺寸為8mm×50mm（見(jiàn)圖6）。PVDF壓電薄膜是一種高分子聚合物型敏感材料，具有質(zhì)量輕、靈敏度高和柔韌性好的特點(diǎn)[7]。PVDF壓電薄膜的頻率響應(yīng)范圍很寬，為0.015 Hz～109Hz。既適用于低頻也適用于高頻。將PVDF壓電薄膜粘貼在桌面上，在脈沖壓力的作用下，使用Tek數(shù)字示波器檢測(cè)電荷放大電路輸出圖（圖7中a）和前置放大電路輸出圖（圖7中b）。

圖6 PVDF壓電傳感器

5 結(jié)論

通過(guò)研究壓電傳感器和電荷放大器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種電荷放大電路，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)工作原理進(jìn)行了驗(yàn)證，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的各種干擾，制作了鋁屏蔽箱，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該電路具有抗干擾性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 前置放大電路和電荷放大電路(輸出

［1］劉愛(ài)華，滿寶元.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2006：160-165.

［2］鄧維禮，秦嵐，劉俊.基于Multisim的準(zhǔn)靜態(tài)電荷放大器仿真分析［J］.理論與方法，2009，28（4）：24-26.

［3］AD549.Ultralow Input Bias Current Operational Amplifi?er Data Sheet［Z］.Analog Device Co.，Ltd，2009.

［4］ AD627.Micro-power， Single and Dual-Supply，Rail-to-Rail Instrumentation Amplifier［Z］.Analog Device Co.，Ltd，2004.

［5］LMF90.4th-Order Elliptic Notch Filter［Z］.Fairchild Co.，Ltd，1994.

［6］李黎，朱嘉林.小體積高性能電荷放大器的研制［J］.電子元件與材料，2014，33（4）：52-55.

［7］Vinogradov A，Holloway F.Electro-mechanical proper?ties of the piezoelectric polymer PVDF［J］.Ferroelec?trics，1999（226）：169-181.

Design of a Miniaturized Charge Amplifier Circuit

LI Gui-lei，XU Zhong，HE Chang-bo
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）

Because of the high price of marketable charge amplifier，a low price charge amplifier was developed.It is based on the principal of the circuit of the charge amplifier.Simulation and experimental test show that this circuit is feasible.It has advantage of good transient stability，low price and anti-disturbance character，zero shift is less than 20mV.

charge amplifier；Mulitsim10；low price；anti-disturbance

TN722.1

A

1009－9492(2015)10－0005－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.002

李桂磊，男，1988年生，山東煙臺(tái)人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：信號(hào)采集與處理。

(編輯：阮 毅)

*國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（編號(hào)：51075052)

2015－08－07