如何使用電荷放大器處理壓電加速度計輸出

在本文中，我們將介紹通常用于將壓電傳感器的電荷輸出轉(zhuǎn)換為可用電壓信號的電荷放大器。

壓電加速度計的背景

使用壓電元件，壓電加速度計產(chǎn)生與施加的加速度成比例的電荷輸出。電荷輸出是一種難以測量的信號類型，因為它會隨著時間的推移通過漏電阻逐漸減小。

此外，壓電加速度計中使用的典型傳感元件，這些傳感器產(chǎn)生的少量電荷在每牛頓幾十或幾百皮庫侖的范圍內(nèi)。因此，通常需要一個信號調(diào)節(jié)電路來成功提取加速度信息，而不會耗散任何電荷。這需要具有大輸入阻抗的放大級，以防止產(chǎn)生的電荷通過與傳感元件并聯(lián)的放大器的輸入阻抗泄漏。

事實上，雖然壓電效應(yīng)是 1880 年由 Pierre 和 Jacques Curie 發(fā)現(xiàn)的，但由于缺乏具有足夠高輸入阻抗的放大器，直到 1950 年代它才具有實際用途。電荷放大器是處理壓電傳感器輸出時的首選技術(shù)。電荷放大器將傳感器產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為可用的電壓信號。

文章“了解和實現(xiàn)壓電傳感器系統(tǒng)的電荷放大器”和“如何設(shè)計壓電傳感器的電荷放大器”很好地介紹了電荷放大器的基礎(chǔ)知識。

下面，我們將簡要概述基本概念以及一些額外的細(xì)節(jié)。

壓電傳感器等效電路

首先，圖 1 顯示了兩個可用于模擬壓電傳感器的等效電路。

圖 1. 壓電傳感器的兩個示例電路模型 （a） （b） 及其原理圖符號 （c）。

電荷放大器配置—查找輸出電壓

電荷放大器的基本配置如圖 2 所示。

圖 2. 顯示傳感器內(nèi)電荷放大器配置的示意圖。

使用電荷放大器的主要優(yōu)點

使用電荷放大器，傳感器兩端的電壓理想地為零。因此，任何與傳感器并聯(lián)的絕緣電阻（例如電纜的絕緣電阻或傳感器的漏電阻 Rp）都不會有電流流過。因此，傳感器產(chǎn)生的電荷不會消散。此外，輸出電壓只是反饋電容的函數(shù)，因此傳感器和電纜電容不能改變電路的增益。

電荷放大器時間常數(shù)參數(shù)—反饋電阻

反饋電阻 R F為放大器的反相輸入提供直流路徑，并設(shè)置該節(jié)點的直流電壓。但是，添加此電阻器會限制測量直流（或極低頻）加速度信號時的精度。

正如我們上面所討論的，傳感器產(chǎn)生的電荷通過電荷放大器操作轉(zhuǎn)移到反饋電容器。該電荷可以通過與 C F并聯(lián)的反饋電阻逐漸泄漏。

事實上，放大器的準(zhǔn)靜態(tài)行為是由時間常數(shù)參數(shù)決定的：

在電荷放大器的背景下，準(zhǔn)靜態(tài)（或接近靜態(tài)）行為是指在相對較長的時間內(nèi)保持恒定的信號的測量。對于測量極低頻信號，時間常數(shù)應(yīng)最大化。

為了更好地理解時間常數(shù)參數(shù)對我們測量的影響，請考慮圖 3 中所示的波形。

圖 3.輸出電荷放大器（底部）和傳感器信號（頂部）波形。圖片由奇石樂提供。

在該圖中，頂部波形顯示了傳感器產(chǎn)生的電荷，而底部波形顯示了電荷放大器的輸出。在此示例中，假設(shè)充電波形具有固定的 DC 值以及一些高頻分量。輸入的高頻分量按預(yù)期出現(xiàn)在輸出端。然而，最初接近輸入直流值的輸出直流值逐漸接近零伏。這種趨勢是由于存儲在 C F 中的靜電荷通過R F泄漏的事實。

如您所見，經(jīng)過一個時間間隔ττ，輸出的直流值降低到其初始值的 37%。對于某些類型的電荷放大器，可以在不同的反饋電阻值之間切換，以根據(jù)加速度信號的低頻成分調(diào)整時間常數(shù)參數(shù)。

帶復(fù)位開關(guān)的電荷放大器

或者，一些電荷放大器包含一個復(fù)位開關(guān)而不是一個反饋電阻，如圖 4 所示，它為我們提供了最大時間常數(shù)值。

圖 4. 使用復(fù)位開關(guān)和傳感器配置的電荷放大器示意圖。

在進(jìn)行測量之前，打開開關(guān)以對反饋電容放電并設(shè)置運(yùn)算放大器反相輸入的直流電壓。然后，關(guān)閉開關(guān)以開始測量階段，如圖 5 所示。

圖 5. 電荷放大器的電路操作。圖片由奇石樂提供

同樣，上面的曲線顯示了傳感器產(chǎn)生的電荷，下面的曲線描繪了電荷放大器的輸出。請注意，當(dāng)開關(guān)打開時，輸出為零。結(jié)果，復(fù)位開關(guān)也為后續(xù)測量固定了零點。

雖然結(jié)合復(fù)位開關(guān)使時間常數(shù)最大化，但它使電路容易出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。漂移是指電荷放大器輸出在一段時間內(nèi)發(fā)生的變化，不是由被測物理參數(shù)的變化引起的（我們討論中的加速度）。漂移是由幾種不同的非理想效應(yīng)引起的，例如運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和失調(diào)電壓。

為了進(jìn)一步討論，應(yīng)更詳細(xì)地評估反饋電阻器對放大器低頻響應(yīng)和漂移行為的影響。