放大器為壓電薄膜傳感器提供信號調(diào)理

所述電路提供來自壓電薄膜換能器的熱輸出。該電路是一款高輸入阻抗差分電荷放大器，采用三個運(yùn)算放大器，采用經(jīng)典儀表放大器配置。差分級抑制電阻產(chǎn)生的熱噪聲，并充當(dāng)一階高通濾波器。討論了組件值的選擇，并提出了一些典型值。建議使用替代配置來克服一些典型的電路限制。

壓電薄膜（壓電薄膜或壓電薄膜）可以通過多種方式轉(zhuǎn)換信號：電到機(jī)械（例如，揚(yáng)聲器），機(jī)械到電（麥克風(fēng)）和熱到電（溫度傳感器）。在圖1的電路中，壓電薄膜元件執(zhí)行熱到電和機(jī)械到電的轉(zhuǎn)換。它旨在充當(dāng)溫度傳感器，并且只是偶然充當(dāng)麥克風(fēng)。

圖1.該放大器設(shè)計(jì)用于提取壓電薄膜傳感器的熱信號。

壓電薄膜傳感器的電氣模擬是與電壓源串聯(lián)的電容器。該傳感器具有高輸出阻抗，需要高阻抗緩沖放大器。所示電路包括一個差分電荷放大器，后接一個差分至單端放大器。差分拓?fù)淇山档途€路噪聲拾取，這是高增益電路中的一個問題。

雙通道運(yùn)算放大器（IC1）賦予差分電荷放大器單電源供電和低電源電流。R1、R2和一個小旁路電容（C3）將輸入共模電壓設(shè)置在中間電源電平。

這些電阻產(chǎn)生的熱噪聲不會被差分放大器放大。相反，它在差分輸出端顯示為共模信號，并在下一階段通過共模抑制衰減。由于熱噪聲與電阻成正比，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（通過不放大偏置噪聲）為給定噪聲目標(biāo)提供了較低的電源電流優(yōu)勢。

差分級的交流增益由C1和C2值設(shè)定 相對于傳感器電容（C情 商).在這種情況下，C情 商在 484kHz 時測量 1pF，等效串聯(lián)電阻 （ESR） 為 5kΩ。您可以將傳感器建模為與兩個值為 2C 的電容器串聯(lián)的差分電壓源情 商.R3和R4在高頻下幾乎沒有影響，因?yàn)榉答佒饕蒀1和C2的電抗主導(dǎo)。因此，電路的每一半增益為C1/C情 商= 96。

差分放大器還充當(dāng)一階高通濾波器。為了簡化分析，設(shè) C1=C2=C 和 R3=R4=R。然后，檢查放大器的一半，顯示RC為1/2π極點(diǎn)，增益為C情 商/C 在無限頻率下。交流增益與 C 成正比情 商/C，因此高交流增益意味著小C。在這種情況下，C = 10pF和R = 44MΩ，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)折頻率為360Hz。 R必須非常大才能獲得良好的低頻響應(yīng)。降低轉(zhuǎn)折頻率意味著增加R值，但運(yùn)算放大器在大反饋電阻中流動的輸入泄漏會產(chǎn)生較大的失調(diào)電壓。為了抵消這種影響，所示的雙通道運(yùn)算放大器是CMOS器件，其輸入漏電流很小，僅為1pA。

差分至單端轉(zhuǎn)換由IC2和電阻R5、R6、R8和R9執(zhí)行。所示值給出的差分增益為20。

線路噪聲抑制取決于C1和C2之間的匹配，但容差嚴(yán)格的電容價(jià)格昂貴（一般來說，這是差分電荷放大器的缺點(diǎn)）。然而，如果無法獲得完美匹配，電路的一階抑制性能仍然優(yōu)于單端放大器。

在差分至單端轉(zhuǎn)換器中加入增益會降低共模抑制性能。為避免此問題，可以用單位增益差分至單端轉(zhuǎn)換器和另一個單端增益級代替差分至單端電路。

示波器顯示器（圖2）展示了該電路的熱釋電（熱檢測）能力。走線的下降是由加熱的烙鐵引起的，該烙鐵在大約六英寸的距離處快速移過傳感器。傳感器的拾音器在此跡線上產(chǎn)生較小的信號?？梢酝ㄟ^添加一個復(fù)制電路來消除它們，該電路響應(yīng)相同的環(huán)境聲學(xué)噪聲，但不響應(yīng)熱量。

圖2.烙鐵從圖1中的傳感器經(jīng)過約<>英寸處，導(dǎo)致電路輸出走線出現(xiàn)這種下降。

如果要使用封裝更小的雙通道運(yùn)算放大器構(gòu)建該電路，可以考慮MAX4252和MAX4253。這兩款器件均采用超芯片級封裝（UCSP）。它們完全相同，只是MAX4253允許分別關(guān)斷封裝中的兩個運(yùn)算放大器。這些器件單位增益穩(wěn)定，開環(huán)增益為3MHz，盡管它們與圖1所示運(yùn)算放大器之間的帶寬不同，它們?nèi)詰?yīng)在此電路中工作。但請注意，該電路尚未使用MAX4252或MAX4253進(jìn)行測試，而是使用圖1所示的運(yùn)算放大器進(jìn)行測試。

審核編輯：郭婷