原创 剖析Charge Amplifier的基本原理

Abstract: 如今，传感器的应用在我们的现实生活中几乎是随处可见了，尤其是压电式传感器，更是得到了非常广泛的应用，它属于电容性传感器，具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，基于一些特定的介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器。当材料受到外力的作用而发生变形时，将产生正比于被测物理量的电荷量，从而实现对非电量的测量，从这个意义上讲，压电式传感器可以看作是一个电荷发生器。本文将着重剖析Charge Amplifier的principle。

压电元件：

    就其物理特性而言，压电元件可以有两种互为等价的等效电路形式，如下图所示：

即压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源，也可以等效为一个电荷源与一个电容的并联。

压电传感器的实际等效电路：

    实际应用中，出于高精度的要求，我们还得考虑连接电缆的等效电容Cc以及压电传感器自身的泄露电阻Rl，如此，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如下图所示：

电荷放大器的拓扑电路：

    由于传感器输出的信号实在过于微弱，而且传感器本身的内阻一般很高，so,一个高输入阻抗、低输出阻抗的前置放大器自然是必需的了。电荷放大器作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运放构成：

对于压电传感器而言，有以下关系式：

    由于运算放大器的输入阻抗极大，所以泄露电阻Rl对电路的作用可以忽略不计；假设该运放的特性参数接近理想情况，以致可以近似认为连接电缆的等效电容Cc呈现短路的状态。根据运放的"虚短"和"虚断"的概念，可以得出：

由上式可见，电荷放大器的输出电压Uo只取决于传感器的输出电荷q与运放的反馈电容Cf，而与电缆电容Cc无关，且与q具有良好的线性关系。为了测量的精确性，反馈电容Cf的特性参数应该尽可能的优良一些，以尽量减小测量时的误差。

实用的电荷放大器:

    同时，若传感器的输出信号过低，则放大器回路就将处于开环状态了，也就意味着运放的增益将非常大，输出电压将极易进入非线性区，也就失去信号放大的意义了。为此，我们可以在反馈电容Cf的两端并联一个电阻Rf来加以限制运放的增益。再者，为了防止传感器在过载时使得运放进入非线性区，可在运放的输入端加两个并联、反向的保护二极管。且并联Rf后，为了使得

传感器的输出信号频率不能过低，f应大于。考虑了上面的几点因素之后，就可以搭建一个相对比较实用的电荷放大器电路了：

在实际应用中，为了减小传感器连接电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内部。

Conclusion:本文特意针对Charge Amplifier作了比较详细的剖析，并最后给出了一个相对比较实用的电荷放大器电路。不过对于该电路中一些参数的选取，除了理论上的先期推算外，还得经过自行搭建电路进行现场调试才行。