張靜鵬，黃西寧，王民強，趙開源

（西人馬（西安）測控科技有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

電荷放大器作為壓電傳感器的信號轉(zhuǎn)換單元，可以將壓電傳感器產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，實現(xiàn)了物理量之間的轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測試測量領(lǐng)域。通用電荷放大器作為適配壓電傳感器的信號調(diào)理單元被廣泛應(yīng)用，但是在一些工況惡劣和環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)測試測量現(xiàn)場，通用型電荷放大器會出現(xiàn)一些未知的狀況。同時放大電路很容易受到共模信號的嚴(yán)重干擾，受共模信號干擾的原始信號會發(fā)生嚴(yán)重的畸變，對測量結(jié)果帶來不準(zhǔn)確性[1,2]。

討論電荷放大器電路的原理及模型，分析通用電荷放大器可能出現(xiàn)的問題與原因?？紤]到通用電荷放大器電路的問題，設(shè)計了一種雙運放差分電荷放大及濾波電路，對其進(jìn)行了原理分析和功能仿真，結(jié)果表明該電路能夠避免通用電荷放大器存在的問題，同時對共模和差模干擾具有很好的抑制能力，為后續(xù)的測量電路提供了穩(wěn)定可靠的前級輸入。

1 電荷放大器原理及模型

電荷放大器是將高阻抗輸入的電荷量信號轉(zhuǎn)換為低阻抗的電壓量信號輸出，壓電式傳感器在受到外界壓力情況時，因壓電效應(yīng)原理會產(chǎn)生一定的電荷信號，電荷信號經(jīng)過電荷放大器電路后，輸出比例和幅值相反的電壓信號。壓電傳感器可等效為電壓源串聯(lián)的電容或者電流源并聯(lián)的電容。本文以第一種模型進(jìn)行分析討論，一個完整的電荷采集轉(zhuǎn)換電路如圖1所示[3]。

圖1 電荷放大電路

其中CPE為壓電傳感器的等值電容，RPE為等效內(nèi)阻，CC為壓電傳感器和電荷放大器之間電纜的等效電容，Rf和Cf分別為電荷放大器電路的反饋電阻和反饋電容，A為運算放大器的開環(huán)增益。對該等效電路進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，建立輸入電荷與輸出電壓的關(guān)系式為：

對式（1）假設(shè)以下條件：運算放大器的“開環(huán)”增益A無限大，輸入電阻無限大，輸入端子處沒有“偏移”電壓；傳感器內(nèi)阻RPE無窮大，反饋電阻Rf無窮大。通過以上條件對式（1）進(jìn)行簡化得出輸出電壓Uout與輸入電荷Qp的關(guān)系為：

通過式（2）可知，在理想的條件下，電荷放大器輸出電壓與電荷量關(guān)系完全由反饋電容Cf決定，電纜電容CC在確定這個增益時不起作用。運算放大器輸入端電壓Uin為0，這意味著在傳感器等效參數(shù)CC或RPE上沒有電壓產(chǎn)生，也就沒有電流流過這些元件，即使是壓電電阻RPE低也不會對電荷放大器的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 電荷放大器電路特性及參數(shù)影響分析

2.1 反饋電阻Rf的作用

反饋電阻Rf存在是因為運算放大器的端子需要一條直流通路接地，否則電路將會很快出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致放大電路的交流信號無法通過。放大器飽和意味著放大器已經(jīng)不在其線性工作范圍內(nèi)，此時放大器輸出的是一個失真的信號，實際應(yīng)用不允許發(fā)生此種情況。

2.2 低阻抗傳感器帶來的問題

通常情況下，壓電傳感器內(nèi)阻會保持在很高的水平，但是在一些特殊的場景下，要求傳感器的運行溫度可達(dá)485 ℃或更高。根據(jù)壓電晶體材料特性，其內(nèi)阻會顯著降低至兆歐甚至千歐級別，由此會造成電荷量在傳感器低阻抗回路進(jìn)行泄放。同時由于運算放大器端子處的泄漏電流和偏移電壓，足夠的電流將流入RPE，運算放大器的靜態(tài)工作點會出現(xiàn)偏移，輸出信號可能會出現(xiàn)失真，嚴(yán)重時會導(dǎo)致運算放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。此外，傳感器內(nèi)阻降低會影響放大電路的低頻特性。

2.3 共模干擾問題

電荷放大器是一種高增益電路，對噪聲很敏感，任何干擾輸入信號的電容耦合都會對電路性能產(chǎn)生不利影響。就單端輸入方式而言，傳感器信號輸入端子中的一個注入電流，另外一端接地，電荷放大器只會放大干擾信號，而對差分輸入來說，施加的兩個工模信號會相互抵消[4]。通用電荷放大器多采用單端方式，該方式不能對共模干擾信號進(jìn)行抑制。

3 差分電荷放大電路

差分輸入型電荷放大器因其對稱結(jié)構(gòu)，會對輸入的共模干擾信號進(jìn)行抑制，可以保證原始信號的真實性。

3.1 常規(guī)差分輸入電荷放大電路

常規(guī)的差分輸入型電荷放大電路有單運放和三運放結(jié)構(gòu)兩種，單運放電路元件少、結(jié)構(gòu)簡單，但電路無法做到完全一致，因此共模信號抑制有限。三運放結(jié)構(gòu)電路可以做到對稱性一致，但因采用的是多運放結(jié)構(gòu)，各運放之間也無法完全做到一致性，需通過外部電路參數(shù)來調(diào)整達(dá)到一致，因此三運放電路元件多且調(diào)試煩瑣[5,6]。

3.2 改進(jìn)的雙運放差分電荷放大電路

針對單運放和三運放差分電荷放大電路結(jié)構(gòu)的缺點，設(shè)計了一種雙運放構(gòu)成的差分電荷放大電路，該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙運放差分電荷放大器電路

對稱雙運放差分輸入電路結(jié)構(gòu)，第一級運放實現(xiàn)高阻抗電荷輸入轉(zhuǎn)換，第二級運放實現(xiàn)反向電壓跟隨，低阻抗電壓輸出。第一級運放正負(fù)輸入端通過電容耦合，隔斷了傳感器與運算放大器的直流通路，在傳感器內(nèi)阻降低的情況下不會影響傳感器輸入直流回路阻抗。

3.3 二階有源低通濾波電路

差分輸入只能對工模干擾信號進(jìn)行抑制，而無法抑制疊加在有用信號上的差模干擾信號，只能通過后級濾波電路進(jìn)行去除[7]。差模干擾通常以高頻成分存在，故采用濾波帶平坦的二階有源低通濾波電路作為后級濾波電路，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二階有源低通濾波電路

4 雙運放差分輸入電荷放大電路仿真研究

對設(shè)計的雙運放差分輸入電荷放大電路進(jìn)行仿真，以驗證電路的功能及對共模和差模信號的抑制能力。電荷輸入信號采用電壓源串聯(lián)電容模型，電壓源參數(shù)為400 Hz/5Vp-p，串聯(lián)等效電容為1 nF，差分電荷放大電路的反饋電容為1 nF，反饋電阻為100 MΩ，共模干擾信號參數(shù)為50 Hz/1Vp-p，差模干擾信號為20 kHz/1Vp-p，濾波器截止頻率為1 kHz（-3 dB），仿真電路模型如圖4所示。

圖4 雙運放差分電荷放大器仿真電路模型

電路仿真時域和頻域波形如圖5和圖6所示，通過仿真結(jié)果可以看出，該電路實現(xiàn)了差分電荷放大功能，同時對共模和差模信號進(jìn)行了有效抑制。由于設(shè)計的二階有源濾波電路在400 Hz頻點處相位滯后40°左右，因此濾波前后波形存在一定的相位差。

圖5 電路仿真時域波形

圖6 電路仿真頻域波形

5 結(jié) 論

針對通用電荷放大器存在的問題設(shè)計了一種對稱結(jié)構(gòu)雙運放差分電荷放大器電路，分析結(jié)果表明該放大電路結(jié)構(gòu)直流回路阻抗不會受到傳感器低阻抗特性影響，放大電路低頻響應(yīng)特性也不會發(fā)生顯著改變。通過仿真驗證，該電路對共模干擾起到了良好的抑制作用，設(shè)計的二階有源濾波電路對電路存在的差模干擾也進(jìn)行了顯著的抑制。該電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、抗干擾性強，具有較高的實際應(yīng)用價值。