原创 [博客大赛]超级电荷放大器用于准静态压电测量

压电传感器有非常好的稳定特性用于力学测量，但是高质量的电荷放大器却非常难设计。我最初设计电荷放大器是为了用于振动测试，只要线性度高就可以了。后来北大物理系的老师委托我做的是要求高灵敏度，超低噪声的电荷放大器，也是在交流状态下工作。但是对于用压电传感器测量准静态的力，要求电荷放大器在数秒钟内能保持输出信号漂移非常小，即接近可以静态直流测量。

最近从一个客户处借来了一台瑞士产的电荷标定仪，这个客户希望我制造时间常数为100s的电荷放大器用于公路动态衡测量。在设计这个100s时间常数的电荷放大器的同时，我想到了新的方法来稳定电荷放大器的直流工作点，理论上来讲，利用目前可以采购到的器件，能够将电荷放大器的时间常数提高到8000秒。举例来说，一个反馈电容为10nF的超级电荷放大器，输入50000pC电荷后，输出到达5V，经过8000秒（两个小时多）后，输出电压的跌落不会大于2V。

超级电荷放大器的设计思想与经典的电荷放大器相比，主要区别在于直流反馈稳零的设计上。我们知道电荷放大器如果没有直流反馈电阻，则会因为运放的输入偏流不断给反馈电容充电，放大器的输出会向正负电源方向漂移。为此，高质量的电荷放大器必然要使用输入偏流小至几十个法安的运放，这样才能采用10GΩ~100GΩ的反馈电阻来实现直流稳定。有些文献上提到用T型网络电阻的方式，使用10MΩ的电阻来产生10G Ω的效果，但实际上因为离散电容的影响，这样的电路会产生自激。（我测试过这样的电路，无论怎样都自激）

我的设计方法是，用一个比较放大器来取电荷放大器的输出与零电位进行比较，如果输出为正，则比较放大器输出信号经过0.3V的钳位电路，再通过一个10GΩ的电阻反馈回去。这样可以获得电荷放大器的输出稳零，但是稳零的速度非常慢，因为只有最多30fA的反馈电流。当然，在这个反馈回路上还必须加入校正电路，保证反馈过程的相位裕度，否则电路会出现低频或者高频的自激。低频自激的效果就是输出非常缓慢地漂到最高又漂到最低。

这种设计的前提是电荷放大器所采用的运放必须是输入偏流小于30fA，而且整个电路的布线设计，制造工艺和屏蔽密封的要求都非常高，一丁点的灰尘、湿气、氧化锡都可以导致放大器失效。从我目前的测试来看，这个电路是接近成功的，信号输出从3V漂移到1.657V已经用了一个小时了。如果我用的这颗运放的输出偏流具有一定的稳定性，那么超级电荷放大器的时间常数应该还可以提高到更高的水平。