基于AD8601的電荷放大器的設(shè)計

朱新翔，陳江偉，紀曉輪，唐 平，謝奇峰

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

1 電荷放大器設(shè)計存在的技術(shù)難點[3]

電荷放大器設(shè)計存在的技術(shù)難點主要有三個方面：傳感器方面、運算放大器方面、反饋電容的選取方面。

傳感器部分主要有：（1）輸出信號較小。（2）傳感器的頻率范圍很大。現(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 1.2 kHz，對運放的響應(yīng)頻率要求很高。同時低頻時，輸出的信號幅度較小，信號很微弱。

運算放大器方面：電荷放大器的反饋電阻非常大，通常在150 MΩ以上。因而對運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，即使是納安級別的偏置電流也會產(chǎn)生數(shù)伏以上的偏壓。

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

2 電荷放大器原理簡介

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)運放開環(huán)增益為A，則輸出電壓為

在實際電路中，運算放大器的增益A＞＞1，同時運算放大器輸入阻抗高，則此時，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。同時在頻率較高時可以忽略反饋電阻等效到輸入端的電阻。則在頻率高時放大器的輸出成為

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，運算放大器采用電容負反饋，對直流工作點相當于開環(huán)，因此零點漂移很大。為了使工作穩(wěn)定，在反饋電容兩端并聯(lián)了電阻Rf用來穩(wěn)定放大器工作點。

3 電荷放大器設(shè)計

3.1選擇元件

3.1.1選擇運放

經(jīng)過前文的討論，制作一個高質(zhì)量的電荷放大器是相當困難的事情，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)該無窮大，偏置電流無窮小。傳感器輸出的電荷信號比較微弱，需要運放具有寬頻段，增益足夠大。本設(shè)計在經(jīng)過多方綜合考慮之后，選擇ADI公司的AD8601芯片來設(shè)計電荷放大器。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)過綜合考慮，選擇聚苯乙烯電容做反饋電容。同時，對于電荷放大器，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，會導(dǎo)致零點漂移較大。電荷放大器對直流的漂移很敏感。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)計反饋阻值選擇1 GΩ的高精度電阻。

3.2設(shè)計電路

綜上所述，完成了電荷放大器的設(shè)計。本設(shè)計如圖2所示。

AI為傳感器電纜輸入的SMA接口，R30電阻用來消除在電纜傳輸中帶入的噪聲干擾。BAV199是穩(wěn)壓保護電路，防止電路電壓一時過高，對放大器有影響。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)計過程中應(yīng)該注意的事項，設(shè)計出一個應(yīng)用于電機狀態(tài)檢測系統(tǒng)的電荷放大器。

[1]查萬紀.壓電加速度傳感器測量電路的研究與設(shè)計[D].安徽：安徽大學(xué)，2005.

[2]王昊.集成運放應(yīng)用電路設(shè)計 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[D].陜西：西安理工大學(xué)，2008.

[4]徐賽秋，楊新堯.振動測量系統(tǒng)中雙積分電荷放大器的設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，1994（4）：75-82.

[5]ADI.AD8601數(shù)據(jù)手冊.2000.

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