压电传感器电荷放大器的设计

本文探讨了电荷放大器的设计细节，包括ESD保护和频率响应。

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在上一篇文章中，我介绍了电荷放大器作为一种有效的方法转换由压电传感器产生的电荷转换为正常电压信号。电荷放大器使用基本电荷积分器topology-i.e。，反馈路径中的电容产生与输入电流积分成比例的输出电压，反馈路径中的电阻防止放大器饱和。

单电源系统

输出电压将高于和低于连接到同相输入端子的电压。如果您的运放有负极供电轨，您可以将该端子接地；如果您使用的是单电源系统，通常需要提供偏置电压。在上图中，偏置电压为V_{科科斯群岛}/ 2。这是一个合乎逻辑的选择，因为当没有输入信号存在时，输出将在供应范围的中间，因此可用于正和负信号摆动的电压最大。

然而，V_{科科斯群岛}/2绝不是每个设计的合适选择。如果你知道你的输出信号将有更多的正偏差比负偏差，你可以选择一个偏置电压更接近地。例如，我曾经设计过一个放大器电路，它的输入信号是一个脉冲型的正偏移，但是在放大器之前的交流耦合导致在脉冲的末端有一个小的负偏移。如果我没记错的话，我使用了3.3 V的电源电压和0.5 V的偏置电压。0.5 V的偏置足以保持负偏移的特性，而正偏移的动态范围明显高于使用V的偏置电压所获得的_{科科斯群岛}/ 2。

输入电阻

上述电路可从压电传感器和反相输入端子之间的输入电阻中获益：

该电阻器通过限制连接到反相输入端子的任何电压产生的电流量来保护运算放大器。我们当然不期望压电传感器产生危险的电压；相反，这里关注的是诸如ESD罢工之类的故障。如果您在一个良好的环境中工作，并且在使用敏感元件时小心接地，您可能不需要担心破坏性电流。但传感器通常用于危险电气条件普遍的工业环境中，在这些环境中，包括保护电路是有意义的。

即使你不需要R_在作为一个保护元件，你仍然应该考虑把它包含在你的电路中。一位AAC贡献者向我解释说，连接在传感器和逆变输入端之间的电阻可以防止与振幅峰值甚至高频振荡相关的问题。他建议阻力位在100 Ω到1 kΩ之间。

频率响应

理想化的integrator-i.e。在低、中、高频率下，反馈路径上只有一个电容而没有输入电阻的版本表现出相同的行为。然而，一旦我们开始添加电阻，我们就必须考虑电路的频率响应。

低频衰减

反馈电阻R_F使电路在低频时像高通滤波器一样工作。截止频率的计算如下：

$$F{HP}=\frac{1}{2\pi R\u FC\u F}$$

反馈电阻不影响增益。因此，您选择C_F值根据系统所需的增益，然后确定一个R_F值，创建适当的频率响应。这里的权衡是低频增益与电阻的能力，放电电容和提供直流偏置电流的反相输入端。你可以从方程中看出R的电阻更低_F产生更高的截止频率，意味着低频传感器信号将被衰减。这就是为什么选择R的值_F通常是非常大的- 1 MΩ可能是一个很好的起点，根据所需的低频性能，可以向下调整到100 kΩ或向上调整到10 MΩ。

高频衰减

在前一篇文章中，我指出压电传感器信号的电荷放大在很多情况下优于电压模式放大，因为电荷放大器的增益不受电缆电容的影响。当我们考虑电阻R时，这种情况有所改变_在. 频率范围中的增益保持独立于电缆电容，但阻力与逆变输入端串联，结合电缆电容，产生高频滚转。因此，我们现在有一个高通响应(由R_F)和低通响应(由R_在)．

下式给出了低通截止频率；注意，C_P包括压电传感器的内部电容、电缆电容以及与传感器并联的任何其他电容。

$$F{LP}=\frac{1}{2\pi R{IN}C\u P}$$

在大多数情况下，这种高频滚转不会对电路产生负面影响，因为截止频率将大大高于压电传感器测量的物理变化的频率范围。但是，最好能意识到这种影响，如果由于某种原因输入电阻或并联电容异常大，这种影响可能会非常显著。

理解电荷放大器的频率响应

如果您试图模拟电荷放大器电路的频率响应，您可能会被结果弄糊涂。例如，我为带有C的电路生成了以下Bode图_F= 100nf, R_F=1 MΩ，R_在=100Ω，和C_P= 1 nF。

图中显示低频时没有衰减，一个极点约为1 Hz，另一个极点约为1 MHz。考虑到模拟中使用的分量值，这两个频率是有意义的，但总体行为与上述频率响应不一致。要理解这种情况，我们必须记住，电路的幅值响应与增益响应不同与电路作为积分器的功能有关．理想积分器的频率响应对应于一条斜率均匀为- 20db /decade的直线。因此，在电路的波德图斜率为- 20db / 10年的频率上进行积分，当斜率偏离这个值时，电路的积分器增益降低。

结论

我们已经研究了压电传感器应用的电荷放大器设计中的一些细节。如果你有使用电荷放大器和压电传感器的经验，并且想要分享一些建议，请在下面的评论部分留言。