張靜鵬，黃西寧，王民強(qiáng)，趙開源

（西人馬（西安）測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換單元，可以將壓電傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了物理量之間的轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。通用電荷放大器作為適配壓電傳感器的信號(hào)調(diào)理單元被廣泛應(yīng)用，但是在一些工況惡劣和環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)測(cè)試測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通用型電荷放大器會(huì)出現(xiàn)一些未知的狀況。同時(shí)放大電路很容易受到共模信號(hào)的嚴(yán)重干擾，受共模信號(hào)干擾的原始信號(hào)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變，對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不準(zhǔn)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(xiàn)的問(wèn)題與原因?？紤]到通用電荷放大器電路的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙運(yùn)放差分電荷放大及濾波電路，對(duì)其進(jìn)行了原理分析和功能仿真，結(jié)果表明該電路能夠避免通用電荷放大器存在的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)共模和差模干擾具有很好的抑制能力，為后續(xù)的測(cè)量電路提供了穩(wěn)定可靠的前級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗的電壓量信號(hào)輸出，壓電式傳感器在受到外界壓力情況時(shí)，因壓電效應(yīng)原理會(huì)產(chǎn)生一定的電荷信號(hào)，電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器電路后，輸出比例和幅值相反的電壓信號(hào)。壓電傳感器可等效為電壓源串聯(lián)的電容或者電流源并聯(lián)的電容。本文以第一種模型進(jìn)行分析討論，一個(gè)完整的電荷采集轉(zhuǎn)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(nèi)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(yùn)算放大器的開環(huán)增益。對(duì)該等效電路進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，建立輸入電荷與輸出電壓的關(guān)系式為：

對(duì)式（1）假設(shè)以下條件：運(yùn)算放大器的“開環(huán)”增益A無(wú)限大，輸入電阻無(wú)限大，輸入端子處沒(méi)有“偏移”電壓；傳感器內(nèi)阻RPE無(wú)窮大，反饋電阻Rf無(wú)窮大。通過(guò)以上條件對(duì)式（1）進(jìn)行簡(jiǎn)化得出輸出電壓Uout與輸入電荷Qp的關(guān)系為：

通過(guò)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(guān)系完全由反饋電容Cf決定，電纜電容CC在確定這個(gè)增益時(shí)不起作用。運(yùn)算放大器輸入端電壓Uin為0，這意味著在傳感器等效參數(shù)CC或RPE上沒(méi)有電壓產(chǎn)生，也就沒(méi)有電流流過(guò)這些元件，即使是壓電電阻RPE低也不會(huì)對(duì)電荷放大器的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 電荷放大器電路特性及參數(shù)影響分析

2.1 反饋電阻Rf的作用

反饋電阻Rf存在是因?yàn)檫\(yùn)算放大器的端子需要一條直流通路接地，否則電路將會(huì)很快出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致放大電路的交流信號(hào)無(wú)法通過(guò)。放大器飽和意味著放大器已經(jīng)不在其線性工作范圍內(nèi)，此時(shí)放大器輸出的是一個(gè)失真的信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用不允許發(fā)生此種情況。

2.2 低阻抗傳感器帶來(lái)的問(wèn)題

通常情況下，壓電傳感器內(nèi)阻會(huì)保持在很高的水平，但是在一些特殊的場(chǎng)景下，要求傳感器的運(yùn)行溫度可達(dá)485 ℃或更高。根據(jù)壓電晶體材料特性，其內(nèi)阻會(huì)顯著降低至兆歐甚至千歐級(jí)別，由此會(huì)造成電荷量在傳感器低阻抗回路進(jìn)行泄放。同時(shí)由于運(yùn)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(yùn)算放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)偏移，輸出信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)失真，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。此外，傳感器內(nèi)阻降低會(huì)影響放大電路的低頻特性。

2.3 共模干擾問(wèn)題

電荷放大器是一種高增益電路，對(duì)噪聲很敏感，任何干擾輸入信號(hào)的電容耦合都會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生不利影響。就單端輸入方式而言，傳感器信號(hào)輸入端子中的一個(gè)注入電流，另外一端接地，電荷放大器只會(huì)放大干擾信號(hào)，而對(duì)差分輸入來(lái)說(shuō)，施加的兩個(gè)工模信號(hào)會(huì)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(duì)共模干擾信號(hào)進(jìn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)輸入的共模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，可以保證原始信號(hào)的真實(shí)性。

3.1 常規(guī)差分輸入電荷放大電路

常規(guī)的差分輸入型電荷放大電路有單運(yùn)放和三運(yùn)放結(jié)構(gòu)兩種，單運(yùn)放電路元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電路無(wú)法做到完全一致，因此共模信號(hào)抑制有限。三運(yùn)放結(jié)構(gòu)電路可以做到對(duì)稱性一致，但因采用的是多運(yùn)放結(jié)構(gòu)，各運(yùn)放之間也無(wú)法完全做到一致性，需通過(guò)外部電路參數(shù)來(lái)調(diào)整達(dá)到一致，因此三運(yùn)放電路元件多且調(diào)試煩瑣[5,6]。

3.2 改進(jìn)的雙運(yùn)放差分電荷放大電路

針對(duì)單運(yùn)放和三運(yùn)放差分電荷放大電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙運(yùn)放構(gòu)成的差分電荷放大電路，該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙運(yùn)放差分電荷放大器電路

對(duì)稱雙運(yùn)放差分輸入電路結(jié)構(gòu)，第一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高阻抗電荷輸入轉(zhuǎn)換，第二級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反向電壓跟隨，低阻抗電壓輸出。第一級(jí)運(yùn)放正負(fù)輸入端通過(guò)電容耦合，隔斷了傳感器與運(yùn)算放大器的直流通路，在傳感器內(nèi)阻降低的情況下不會(huì)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(duì)工模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，而無(wú)法抑制疊加在有用信號(hào)上的差模干擾信號(hào)，只能通過(guò)后級(jí)濾波電路進(jìn)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(jí)濾波電路，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二階有源低通濾波電路

4 雙運(yùn)放差分輸入電荷放大電路仿真研究

對(duì)設(shè)計(jì)的雙運(yùn)放差分輸入電荷放大電路進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證電路的功能及對(duì)共模和差模信號(hào)的抑制能力。電荷輸入信號(hào)采用電壓源串聯(lián)電容模型，電壓源參數(shù)為400 Hz/5Vp-p，串聯(lián)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(hào)參數(shù)為50 Hz/1Vp-p，差模干擾信號(hào)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(yùn)放差分電荷放大器仿真電路模型

電路仿真時(shí)域和頻域波形如圖5和圖6所示，通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，該電路實(shí)現(xiàn)了差分電荷放大功能，同時(shí)對(duì)共模和差模信號(hào)進(jìn)行了有效抑制。由于設(shè)計(jì)的二階有源濾波電路在400 Hz頻點(diǎn)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(shí)域波形

圖6 電路仿真頻域波形

5 結(jié) 論

針對(duì)通用電荷放大器存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙運(yùn)放差分電荷放大器電路，分析結(jié)果表明該放大電路結(jié)構(gòu)直流回路阻抗不會(huì)受到傳感器低阻抗特性影響，放大電路低頻響應(yīng)特性也不會(huì)發(fā)生顯著改變。通過(guò)仿真驗(yàn)證，該電路對(duì)共模干擾起到了良好的抑制作用，設(shè)計(jì)的二階有源濾波電路對(duì)電路存在的差模干擾也進(jìn)行了顯著的抑制。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、抗干擾性強(qiáng)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。