一種雙運放差分輸入型電荷放大器電路研究

張靜鵬，黃西寧，王民強，趙開源

（西人馬（西安）測控科技有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

電荷放大器作為壓電傳感器的信號轉換單元，可以將壓電傳感器產生的電荷信號轉換為電壓信號輸出，實現了物理量之間的轉換，被廣泛應用于工業測試測量領域。通用電荷放大器作為適配壓電傳感器的信號調理單元被廣泛應用，但是在一些工況惡劣和環境復雜的工業測試測量現場，通用型電荷放大器會出現一些未知的狀況。同時放大電路很容易受到共模信號的嚴重干擾，受共模信號干擾的原始信號會發生嚴重的畸變，對測量結果帶來不準確性[1,2]。

討論電荷放大器電路的原理及模型，分析通用電荷放大器可能出現的問題與原因。考慮到通用電荷放大器電路的問題，設計了一種雙運放差分電荷放大及濾波電路，對其進行了原理分析和功能仿真，結果表明該電路能夠避免通用電荷放大器存在的問題，同時對共模和差模干擾具有很好的抑制能力，為后續的測量電路提供了穩定可靠的前級輸入。

1 電荷放大器原理及模型

電荷放大器是將高阻抗輸入的電荷量信號轉換為低阻抗的電壓量信號輸出，壓電式傳感器在受到外界壓力情況時，因壓電效應原理會產生一定的電荷信號，電荷信號經過電荷放大器電路后，輸出比例和幅值相反的電壓信號。壓電傳感器可等效為電壓源串聯的電容或者電流源并聯的電容。本文以第一種模型進行分析討論，一個完整的電荷采集轉換電路如圖1所示[3]。

圖1 電荷放大電路

其中CPE為壓電傳感器的等值電容，RPE為等效內阻，CC為壓電傳感器和電荷放大器之間電纜的等效電容，Rf和Cf分別為電荷放大器電路的反饋電阻和反饋電容，A為運算放大器的開環增益。對該等效電路進行數學模型分析，建立輸入電荷與輸出電壓的關系式為：

對式（1）假設以下條件：運算放大器的“開環”增益A無限大，輸入電阻無限大，輸入端子處沒有“偏移”電壓；傳感器內阻RPE無窮大，反饋電阻Rf無窮大。通過以上條件對式（1）進行簡化得出輸出電壓Uout與輸入電荷Qp的關系為：

通過式（2）可知，在理想的條件下，電荷放大器輸出電壓與電荷量關系完全由反饋電容Cf決定，電纜電容CC在確定這個增益時不起作用。運算放大器輸入端電壓Uin為0，這意味著在傳感器等效參數CC或RPE上沒有電壓產生，也就沒有電流流過這些元件，即使是壓電電阻RPE低也不會對電荷放大器的性能產生負面影響。

2 電荷放大器電路特性及參數影響分析

2.1 反饋電阻Rf的作用

反饋電阻Rf存在是因為運算放大器的端子需要一條直流通路接地，否則電路將會很快出現飽和，從而導致放大電路的交流信號無法通過。放大器飽和意味著放大器已經不在其線性工作范圍內，此時放大器輸出的是一個失真的信號，實際應用不允許發生此種情況。

2.2 低阻抗傳感器帶來的問題

通常情況下，壓電傳感器內阻會保持在很高的水平，但是在一些特殊的場景下，要求傳感器的運行溫度可達485 ℃或更高。根據壓電晶體材料特性，其內阻會顯著降低至兆歐甚至千歐級別，由此會造成電荷量在傳感器低阻抗回路進行泄放。同時由于運算放大器端子處的泄漏電流和偏移電壓，足夠的電流將流入RPE，運算放大器的靜態工作點會出現偏移，輸出信號可能會出現失真，嚴重時會導致運算放大器出現飽和現象。此外，傳感器內阻降低會影響放大電路的低頻特性。

2.3 共模干擾問題

電荷放大器是一種高增益電路，對噪聲很敏感，任何干擾輸入信號的電容耦合都會對電路性能產生不利影響。就單端輸入方式而言，傳感器信號輸入端子中的一個注入電流，另外一端接地，電荷放大器只會放大干擾信號，而對差分輸入來說，施加的兩個工模信號會相互抵消[4]。通用電荷放大器多采用單端方式，該方式不能對共模干擾信號進行抑制。

3 差分電荷放大電路

差分輸入型電荷放大器因其對稱結構，會對輸入的共模干擾信號進行抑制，可以保證原始信號的真實性。

3.1 常規差分輸入電荷放大電路

常規的差分輸入型電荷放大電路有單運放和三運放結構兩種，單運放電路元件少、結構簡單，但電路無法做到完全一致，因此共模信號抑制有限。三運放結構電路可以做到對稱性一致，但因采用的是多運放結構，各運放之間也無法完全做到一致性，需通過外部電路參數來調整達到一致，因此三運放電路元件多且調試煩瑣[5,6]。

3.2 改進的雙運放差分電荷放大電路

針對單運放和三運放差分電荷放大電路結構的缺點，設計了一種雙運放構成的差分電荷放大電路，該電路結構如圖2所示。

圖2 雙運放差分電荷放大器電路

對稱雙運放差分輸入電路結構，第一級運放實現高阻抗電荷輸入轉換，第二級運放實現反向電壓跟隨，低阻抗電壓輸出。第一級運放正負輸入端通過電容耦合，隔斷了傳感器與運算放大器的直流通路，在傳感器內阻降低的情況下不會影響傳感器輸入直流回路阻抗。

3.3 二階有源低通濾波電路

差分輸入只能對工模干擾信號進行抑制，而無法抑制疊加在有用信號上的差模干擾信號，只能通過后級濾波電路進行去除[7]。差模干擾通常以高頻成分存在，故采用濾波帶平坦的二階有源低通濾波電路作為后級濾波電路，結構如圖3所示。

圖3 二階有源低通濾波電路

4 雙運放差分輸入電荷放大電路仿真研究

對設計的雙運放差分輸入電荷放大電路進行仿真，以驗證電路的功能及對共模和差模信號的抑制能力。電荷輸入信號采用電壓源串聯電容模型，電壓源參數為400 Hz/5Vp-p，串聯等效電容為1 nF，差分電荷放大電路的反饋電容為1 nF，反饋電阻為100 MΩ，共模干擾信號參數為50 Hz/1Vp-p，差模干擾信號為20 kHz/1Vp-p，濾波器截止頻率為1 kHz（-3 dB），仿真電路模型如圖4所示。

圖4 雙運放差分電荷放大器仿真電路模型

電路仿真時域和頻域波形如圖5和圖6所示，通過仿真結果可以看出，該電路實現了差分電荷放大功能，同時對共模和差模信號進行了有效抑制。由于設計的二階有源濾波電路在400 Hz頻點處相位滯后40°左右，因此濾波前后波形存在一定的相位差。

圖5 電路仿真時域波形

圖6 電路仿真頻域波形

5 結 論

針對通用電荷放大器存在的問題設計了一種對稱結構雙運放差分電荷放大器電路，分析結果表明該放大電路結構直流回路阻抗不會受到傳感器低阻抗特性影響，放大電路低頻響應特性也不會發生顯著改變。通過仿真驗證，該電路對共模干擾起到了良好的抑制作用，設計的二階有源濾波電路對電路存在的差模干擾也進行了顯著的抑制。該電路結構簡單、成本較低、抗干擾性強，具有較高的實際應用價值。