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，而壓電加速度計內阻很高[1]，為了阻抗匹配，要求后續測量電路輸入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，會(huì )導致傳感器上的電荷經(jīng)過(guò)測量電路之后會(huì )泄露掉，造成測量誤差。因此，需要設計電荷放大器，方便一般的信號處理電路來(lái)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換成電壓的運算放大電路，從而變化的電纜分布電容不會(huì )影響電荷的測量結果[2].因此設計性能良好的電荷放大器在測量系統中具有重要的意義。

1電荷放大器設計存在的技術(shù)難點(diǎn)[3]

電荷放大器設計存在的技術(shù)難點(diǎn)主要有三個(gè)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?，F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，對運放的響應頻率要求很高。同時(shí)低頻時(shí)，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 M？贅以上。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非常好的電荷放大器，反饋電阻通常在1 G？贅以上，即使是納安級別的偏置電流也會(huì )產(chǎn)生數伏以上的偏壓。

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

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]：



3電荷放大器設計

3.1選擇元件

3.1.1選擇運放

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該無(wú)窮大，偏置電流無(wú)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。本設計在經(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].符合設計所需參數要求。

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決定了電荷轉電壓輸出的大小以及電荷放大器的頻率響應特性。電容性能的好壞直接決定著(zhù)電荷放大器是否穩定。本設計要求電容具有大的泄露電阻、吸附效應小、穩定性高等高性能。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇聚苯乙烯電容做反饋電容。同時(shí)，對于電荷放大器，電纜線(xiàn)要盡可能短，反饋電容盡可能大，減少干擾。本設計選用1 000 pF的電容值的電容。



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是穩壓保護電路，防止電路電壓一時(shí)過(guò)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(shí)現了電荷放大功能，完成了預期要求。

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，以及設計過(guò)程中應該注意的事項，設計出一個(gè)應用于電機狀態(tài)檢測系統的電荷放大器。