基于AD8601的电荷放大器的设计

admin

压电加速度传感器输出的电荷量很小，不能用一般的测量电路测量。一般的测量电路输入阻抗较低，而压电加速度计内阻很高[1]，为了阻抗匹配，要求后续测量电路输入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，会导致传感器上的电荷经过测量电路之后会泄露掉，造成测量误差。因此，需要设计电荷放大器，方便一般的信号处理电路来处理压电加速度传感器采集到的信号。电荷放大器是用于将电荷转换成电压的运算放大电路，从而变化的电缆分布电容不会影响电荷的测量结果[2].因此设计性能良好的电荷放大器在测量系统中具有重要的意义。
       
        1电荷放大器设计存在的技术难点[3]
       
        电荷放大器设计存在的技术难点主要有三个方面：传感器方面、运算放大器方面、反馈电容的选取方面。
       
        传感器部分主要有：（1）输出信号较小。（2）传感器的频率范围很大。现在精度高的传感器低频可以做到0.000 01 Hz，接近直流，高频可以到达1.2 kHz，对运放的响应频率要求很高。同时低频时，输出的信号幅度较小，信号很微弱。
       
        运算放大器方面：电荷放大器的反馈电阻非常大，通常在150 M？赘以上。因而对运算放大器的要求是具有很低的偏置电流和很高的输入阻抗。如果要制作频带响应非常好的电荷放大器，反馈电阻通常在1 G？赘以上，即使是纳安级别的偏置电流也会产生数伏以上的偏压。
       
        反馈电容Cf的选取方面：电荷放大器是一个深度负反馈的高增益放大器。要求反馈电容具有时间和温度稳定性好等高性能。
       
        2电荷放大器原理简介
       
        压电加速度传感器与电荷放大器的连接示意图如图1[4]：
         
       
       
        3电荷放大器设计
       
        3.1选择元件
       
        3.1.1选择运放
       
        经过前文的讨论，制作一个高质量的电荷放大器是相当困难的事情，首先要选取合适的芯片。压电加速度的特性要求电荷放大器输入电阻应该无穷大，偏置电流无穷小。传感器输出的电荷信号比较微弱，需要运放具有宽频段，增益足够大。本设计在经过多方综合考虑之后，选择ADI公司的AD8601芯片来设计电荷放大器。AD8601具有低偏置电流，低偏置电压，具有8 MHz的带宽，具有高增益特性[5].符合设计所需参数要求。
       
        3.1.2反馈电容的选择
       
        由式子可知，电荷放大器中输出电压只与反馈电容Cf有关，Cf决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大器的频率响应特性。电容性能的好坏直接决定着电荷放大器是否稳定。本设计要求电容具有大的泄露电阻、吸附效应小、稳定性高等高性能。经过综合考虑，选择聚苯乙烯电容做反馈电容。同时，对于电荷放大器，电缆线要尽可能短，反馈电容尽可能大，减少干扰。本设计选用1 000 pF的电容值的电容。
         
       
       
       
        AI为传感器电缆输入的SMA接口，R30电阻用来消除在电缆传输中带入的噪声干扰。BAV199是稳压保护电路，防止电路电压一时过高，对放大器有影响。BAV199可以将电路工作电压限制在-2.6 V到2.6 V之间。R22与C181为反馈电阻及反馈电容。电路实现了电荷放大功能，完成了预期要求。
       
        本文从电荷放大器的基本原理出发，分析了电荷放大器的原理，以及设计过程中应该注意的事项，设计出一个应用于电机状态检测系统的电荷放大器。