摘 要： 設(shè)備的沖擊和振動信號常用壓電加速度傳感器來獲取。壓電加速度傳感器是高內(nèi)阻傳感器，僅能輸出微弱的電荷信號，需要使用電荷放大器對電荷進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，方便后續(xù)的放大和處理。本文對電荷放大電路進(jìn)行研究，進(jìn)而提出基于AD8601的電荷放大器的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞： 壓電加速度傳感器；電荷放大器；AD8601
壓電加速度傳感器輸出的電荷量很小，不能用一般的測量電路測量。一般的測量電路輸入阻抗較低，而壓電加速度計(jì)內(nèi)阻很高[1]，為了阻抗匹配，要求后續(xù)測量電路輸入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，會導(dǎo)致傳感器上的電荷經(jīng)過測量電路之后會泄露掉，造成測量誤差。因此，需要設(shè)計(jì)電荷放大器，方便一般的信號處理電路來處理壓電加速度傳感器采集到的信號。電荷放大器是用于將電荷轉(zhuǎn)換成電壓的運(yùn)算放大電路，從而變化的電纜分布電容不會影響電荷的測量結(jié)果[2]。因此設(shè)計(jì)性能良好的電荷放大器在測量系統(tǒng)中具有重要的意義。
1 電荷放大器設(shè)計(jì)存在的技術(shù)難點(diǎn)[3]
電荷放大器設(shè)計(jì)存在的技術(shù)難點(diǎn)主要有三個方面：傳感器方面、運(yùn)算放大器方面、反饋電容的選取方面。
傳感器部分主要有：（1）輸出信號較小。（2）傳感器的頻率范圍很大?，F(xiàn)在精度高的傳感器低頻可以做到0.000 01 Hz，接近直流，高頻可以到達(dá)1.2 kHz，對運(yùn)放的響應(yīng)頻率要求很高。同時(shí)低頻時(shí)，輸出的信號幅度較小，信號很微弱。
運(yùn)算放大器方面：電荷放大器的反饋電阻非常大，通常在150 M?贅以上。因而對運(yùn)算放大器的要求是具有很低的偏置電流和很高的輸入阻抗。如果要制作頻帶響應(yīng)非常好的電荷放大器，反饋電阻通常在1 G?贅以上，即使是納安級別的偏置電流也會產(chǎn)生數(shù)伏以上的偏壓。
反饋電容Cf的選取方面：電荷放大器是一個深度負(fù)反饋的高增益放大器。要求反饋電容具有時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好等高性能。
2 電荷放大器原理簡介
壓電加速度傳感器與電荷放大器的連接示意圖如圖1[4]：
3 電荷放大器設(shè)計(jì)
3.1 選擇元件
3.1.1 選擇運(yùn)放
經(jīng)過前文的討論，制作一個高質(zhì)量的電荷放大器是相當(dāng)困難的事情，首先要選取合適的芯片。壓電加速度的特性要求電荷放大器輸入電阻應(yīng)該無窮大，偏置電流無窮小。傳感器輸出的電荷信號比較微弱，需要運(yùn)放具有寬頻段，增益足夠大。本設(shè)計(jì)在經(jīng)過多方綜合考慮之后，選擇ADI公司的AD8601芯片來設(shè)計(jì)電荷放大器。AD8601具有低偏置電流，低偏置電壓，具有8 MHz的帶寬，具有高增益特性[5]。符合設(shè)計(jì)所需參數(shù)要求。
3.1.2 反饋電容的選擇
由式子可知，電荷放大器中輸出電壓只與反饋電容Cf有關(guān)，Cf決定了電荷轉(zhuǎn)電壓輸出的大小以及電荷放大器的頻率響應(yīng)特性。電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)要求電容具有大的泄露電阻、吸附效應(yīng)小、穩(wěn)定性高等高性能。經(jīng)過綜合考慮，選擇聚苯乙烯電容做反饋電容。同時(shí)，對于電荷放大器，電纜線要盡可能短，反饋電容盡可能大，減少干擾。本設(shè)計(jì)選用1 000 pF的電容值的電容。
AI為傳感器電纜輸入的SMA接口，R30電阻用來消除在電纜傳輸中帶入的噪聲干擾。BAV199是穩(wěn)壓保護(hù)電路，防止電路電壓一時(shí)過高，對放大器有影響。BAV199可以將電路工作電壓限制在-2.6 V到2.6 V之間。R22與C181為反饋電阻及反饋電容。電路實(shí)現(xiàn)了電荷放大功能，完成了預(yù)期要求。
本文從電荷放大器的基本原理出發(fā)，分析了電荷放大器的原理，以及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，設(shè)計(jì)出一個應(yīng)用于電機(jī)狀態(tài)檢測系統(tǒng)的電荷放大器。
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