了解和实施用于压电传感器系统的电荷放大器

在本文中，我们将探索一种电路，该电路可产生与压电换能器产生的电荷成正比的输出电压。

我近写了一篇文章，介绍了压电换能器的等效电路。它由一个电流源和一个并联电容器组成，还可以包括一个并联电阻器，以解决压电材料产生的电荷会随时间减少的事实。

放大问题

压电材料响应机械应力而产生的电荷非常小。压电系数的典型值是每牛顿数十或数百皮库仑。1 牛顿是很大的力，而 100 皮库仑是微不足道的电荷。很明显，我们需要一个放大器来将传感器的电荷转换成可用的信号。

另一个问题是放大器输出电压与力、压力或加速度的物理变化之间的数学关系。施加到压电材料上的力与电荷成正比，而不是电流。如果我们将传感器的电流转换为电压，则生成的信号与施加力变化的速率成正比，而不是与施加力本身成正比。

如果您阅读过上一篇文章，就会知道压电传感器的等效电路具有与施加的力成正比的输出电压。那么，为什么我们不能简单地使用电压放大器呢？好吧，可以使用电压放大器，但在许多情况下这不是解决方案。问题是电缆电容。

处理互连电容

上一篇文章中给出的 V OUT表达式如下：

VOUT=1C∫dQdt dt=QCVOUT=1C∫dQdtdt=QC

我们在等效电路的上下文中介绍了该公式，该等效电路由电流源和电极产生的并联电容组成。等式中的“C”指的是这种电容，它与压电设备的物理结构有关，据我所知，在典型的操作条件下，它不会表现出有问题的变化。

但是，与传感器并联的任何其他电容源都会对上述表达式中的“C”项产生影响；也就是说，与连接压电器件和放大器的电缆相关的额外并联电容将改变施加力和 V OUT之间的关系. 传感器的电容不大（我见过数百皮法和低纳法范围内的数字）；因此，电缆电容的微小变化（例如由更换甚至重新布置电缆引起的变化）都会对系统产生重大影响。底线是只有当传感器靠近放大器电路时才应考虑电压模式放大。此外，放大器的输入电容以与电缆电容相同的方式影响电荷与电压的关系，因此不同的放大器（即使它们具有相同的增益）可以产生不同的输出信号。

到目前为止，这听起来像是一项麻烦的设计任务，但实际上有一个简单的电路可以满足我们的需要。它被称为电荷放大器。

压电传感器的电荷放大器

电荷放大器是一种具有非常高输入阻抗的积分器。积分功能将电荷转换为电压，高输入阻抗确保压电换能器产生的少量电荷不会因泄漏而丢失。

充电至电压

上面显示的电荷放大器让我想起了跨阻放大器，但在反馈路径中使用电容器而不是电阻器，我认为当您次考虑其功能时，这种观察会很有帮助。

跨阻放大器接受输入电流并将其乘以反馈路径中的电阻，这不仅会增加幅度，还会将电流转换为电压。电荷放大器做类似的事情，但在反馈路径中使用电容而不是电阻产生的输出不与瞬时电流成比例，而是与电流随时间的累积成比例。换句话说，输出告诉我们一些关于电流积分（相对于时间）的信息，而不是给定时刻电流的大小。

在光电二极管放大器等应用中，传感器的输出信号是与光强度成正比的电流，我们不需要有关信号积分的信息。然而，对于压电传感器，被测量的量与电荷成正比，输入信号是电流等于电荷的导数，因此输入信号的积分为我们提供了我们需要的信息，即电荷。

这是电荷放大器输出电压的表达式：

$$V_{OUT}=\frac{1}{C_F}\int ?I\text{d}t=?\frac{Q}{C_F}$$

请注意以下几点：

• 输入电流不是乘以 C F而是乘以 1/C F。这与跨阻放大器的增益形成对比，后者等于反馈电阻 R F（不是 1/R F）。
• 增益仅取决于反馈电容；它不受电缆电容或传感器内部电容的影响。
• 如果传感器的电流流向运算放大器的反相输入端，则电荷放大器会产生负电压。如果我们回想一下流入运算放大器的电流量很小并且反相端子处于虚地，我们就会明白为什么会这样：传感器电流的路径是围绕运算放大器并通过反馈路径，并且对于电流从反相端（0 V）流向输出端，输出电压必须为负。
• 反相端虚地的存在也解释了为什么电路不受电缆电容或传感器电容的影响。这两个电容都与电流源并联，这意味着它们的一侧接地，另一侧虚拟接地。因此，没有电流流过它们，它们不会影响电路的运行。

逼真的电荷放大器

上面显示的理想化电路不是实际实现，因为运算放大器的输入偏置电流会给电容器充电并导致放大器饱和。我们可以通过添加与电容器并联的电阻器（提供放电路径）来补救这种情况。此外，您可以通过将同相端子连接到参考电压（例如 V CC /2）来使电路适应单电源环境。