一种小型电荷放大电路设计*

李桂磊，徐 中，贺长波

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

一种小型电荷放大电路设计*

李桂磊，徐 中，贺长波

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

由于市场上销售的电荷放大器价格昂贵，设计了一种低成本、小型电荷放大器。研究了电荷放大电路的原理，并依据原理设计了电荷放大器。通过仿真和实验测试了该放大器的可行性。实验证明，该电荷放大器动态稳定性好，抗干扰性强，零点漂移小于20 mV。

电荷放大器；Multisim10；低成本；抗干扰

0 前言

由于压电传感器发生变形后产生的是电荷量，需要电荷放大电路进行处理。压电传感器的应用越来越广泛，领域涉及到航海、航空、医疗、防盗等等，且一些领域需要传感器阵列，相对应的需要多个电荷放大器。目前市场上电荷放大器价格昂贵，体积较大，不适合某些特定的场合，因此本文设计出一种低成本、电路相对简单的电荷放大电路，通过仿真和实验验证，该电路工作性能良好。

1 压电传感器压力检测原理

压电材料经过极化后，在外力的作用下上下表面会产生正负极性相反的电荷，即压电效应[1]。一定面积的压电传感元件受到的外力F与产生的电荷Q之间满足下面的公式：

其中d33为压电传感元件在电轴和机械轴3方向上的应变常数。

根据压电传感元件的正压电效应，压电传感元件可以等效为一个电荷源与一个电容并联的情况（见图1（a））。等效电容量为

其中，Ca为压电薄膜的等效电容；ε为介电常数；A为压电薄膜的面积；δ为压电薄膜的厚度。

当两板间聚集一定的电荷时，两板间又出现一定的电压，电压值见式（3）。因此压电传感元件又可以等效为一电压源与一个电容串联的情况（见图1（b））。

图1 压电传感器等效电荷源和等效电压源

其中，Ua为两极板间的电压；Q为两极板上聚集的电荷量；Ca为两极板间电容。

实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连，连接导线上存在寄生电容，其等效值为CC，前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci也会对电路产生一定的影响，加上压电传感器自身的绝缘电阻Ra，压电传感器的等效电路可以等效为图2所示的电路。

图2 压电传感器的完整等效电路

压电传感元件表面产生的电荷需要将其转换为电压后才能进行后续的处理，由于压电传感元件自身的内阻很高，达到1010Ω，而输出的电荷信号很微弱，需要用输入阻抗很高的前置放大器将电荷信号转化为电压信号，将高输入阻抗转化为低输入阻抗，然后再用一般的放大检波电路将信号输入到检测电路中。

前置放大器分为电压放大器和电荷放大器，本文选择电荷放大器。由于压电传感元件和电荷放大器的输入阻抗很高，电荷放大器输入端基本上没有分流，因此可以略去Ra和Ri（如图3）。图3中Cf和Rf分别代表电荷放大器的反馈电容和反馈电阻。

电荷放大电路中，放大器的输出电压与输入电荷之间的关系如式（4），通常合适的电荷放大器增益A的值在104～108，此时，(1+A)Cf＞＞Ca+Cc+Ci，因此式（4）可以近似化简为式（5）

图3 电荷放大器作为前置放大电路

由式（5）可知，电荷放大器的输出电压U0只与输入电荷Qa和反馈电容Cf相关，与电缆电容Cc无关，且与Qa成正比。所以，采用电荷放大器时，即使连接电缆较长，更换电缆线，其灵敏度也无明显变化。

2 电荷放大电路的设计

压电传感元件表面受到外力作用产生的电荷被传输到外接电路中，如果测试的是静态力，则表面不再产生电荷。如果要测量静态力，则电荷转换电路的反馈电阻阻值需要很大[2]。由于本文所设计的电荷转换电路反馈电阻较小，适于测试压电传感元件的动态力。电荷放大电路包括了前置放大电路、电压放大电路、工频陷波电路以及抑制零漂的直流反馈网络。

2.1 前置放大电路

在动态力的作用下，表面产生的电荷可以等效为电流。本文选择AD549作为电荷转换器，AD549[3]是具有极低输入偏置电流的运算放大器。其相关参数如表1所示。

表1 AD549主要参数

该电路的低频截止频率 fL为公式（6）。由公式（6）可知增大电阻Rf和电容Cf都能够获得更低的低频截止工作频率。但是增大Rf，零点漂移也随之增大；增大Cf，由式（5）可知输出电压减小。为了实现输出的动态归零，本文选用T型电阻反馈，经过计算其反馈电阻阻值Rf等于1.1 GΩ。反馈电容选择200 pF，由公式（6）得到该电路的低频截止频率为0.724 Hz。

2.2 电压放大电路

电压放大器选用微功耗仪用放大器AD627[4]，其直流误差小、共模抑制比高，放大倍数最大为1 000倍，只需调节1和8脚的外接电阻即可实现，适合微弱电压信号的放大。其放大倍数计算公式为：

式中Rg为1脚和8脚的外接电阻。本文选取Rg为8kΩ，经过计算其电压放大倍数为30倍。压电传感元件产生的电荷信号经过前置放大电路和电压放大电路后，其输出电压Uk与传感器产生电荷Δq之间关系式如式（8）

2.3 工频陷波电路

压电传感元件灵敏度高，极易受到外界干扰，尤其是50 Hz工频干扰。为了消除干扰，本文选用美国NI公司生产的四阶椭圆陷波器LMF90[5]。其陷波中心频率（见式（9））可以通过外接晶振来实现。本文选择外接晶振频率为3.549 545 MHz，经过计算后其陷波中心频率为49.99 Hz。

其中 f0为陷波器的中心频率； fx为外接晶振的频率；div为时钟分频因子；ratio为时钟频率与陷波中心频率比例因子。陷波带宽由引脚1和10的外接电平来设定，本文使1和10脚接地，则陷波带宽的计算值为13 Hz。

3 电荷放大电路Multisim10仿真

图4 电荷放大电路Multisim10仿真图

通过Multisim10对上面设计的电路进行仿真，由于Multisim10中没有电荷源，而压电传感元件可以等效为电压源与电容串联的情况，因此本文选取100 mV的正弦波串联一个电容C1等效压电传感元件[6]。仿真电路图如图4所示。通过修改电容C1，连接导线电容CC来观察前置放大电路与电压放大电路的输出电压幅值U0与Uk（结果见表2），Cf设置为200 pF。由于Multisim10中没有LMF90芯片，因此本文设计了一个中心频率为50 Hz、放大倍数为1的典型二阶带阻滤波器，观察其陷波效果。选择R的值为32kΩ，C的值为100 nF。仿真时提供一个50 Hz和200 Hz的正弦信号，结果（图5所示）表明带阻滤波器对50 Hz的正弦波进行了有效的抑制。

表2 C1/CC取不同值时仿真电压输出

由表2可知，使用电荷放大器作为前置放大器，连接导线的电容CC对灵敏度的影响很小，可以忽略不计。表2也对公式（5）、（7）、（8）进行了验证。同时也证明前置放大电路选择AD549是可行的。

图5 电荷放大电路Multisim10仿真效果图

不施加电压源的情况下，测试前置放大电路和电压放大电路的输出，通过示波器查看存在零点漂移，分别为5.138 mV和-146.717 mV。为了抑制零点漂移，本文选用AD711设计了直流反馈网络（如图4所示），加入直流反馈后电压放大电路输出电压为-4.230 mv。本文在仿真的基础上，搭建了硬件电路。

4 硬件电路搭建和检测

硬件电路通过实验板搭建，芯片选择为直插型。由于温漂对电荷放大电路的影响较大，本文在搭建电路时选择温度性能较好的聚苯乙烯电容和金属膜电阻，减少温度的影响。在零输入情况下，通过调节AD549的调零电位器使电压放大电路的输出电压归零。电荷放大电路中使用的芯片都采用双电源±5 V供电，通过ICL7660芯片提供-5 V电压。使用Tektronix数字示波器检测搭建的信号调理电路，在没有输入信号的条件下，零点漂移小于20 mV，对50 Hz工频干扰进行了有效的抑制。除工频干扰外，信号调理电路受到的干扰主要包括高频噪声干扰、声干扰和电缆噪声干扰。为了更好地抑制干扰，设计制作了铝屏蔽箱。

采用锦州科信公司生产的聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电薄膜传感器验证搭建的电荷放大电路的可行性，其厚度为30μm，尺寸为8mm×50mm（见图6）。PVDF压电薄膜是一种高分子聚合物型敏感材料，具有质量轻、灵敏度高和柔韧性好的特点[7]。PVDF压电薄膜的频率响应范围很宽，为0.015 Hz～109Hz。既适用于低频也适用于高频。将PVDF压电薄膜粘贴在桌面上，在脉冲压力的作用下，使用Tek数字示波器检测电荷放大电路输出图（图7中a）和前置放大电路输出图（图7中b）。

图6 PVDF压电传感器

5 结论

通过研究压电传感器和电荷放大器的工作原理，设计了一种电荷放大电路，通过仿真和实验对工作原理进行了验证，针对实验中的各种干扰，制作了铝屏蔽箱，实验测试表明，该电路具有抗干扰性好，动态响应好，成本低等优点。

图7 前置放大电路和电荷放大电路(输出

［1］刘爱华，满宝元.传感器原理及应用［M］.北京：人民邮电出版社，2006：160-165.

［2］邓维礼，秦岚，刘俊.基于Multisim的准静态电荷放大器仿真分析［J］.理论与方法，2009，28（4）：24-26.

［3］AD549.Ultralow Input Bias Current Operational Amplifi⁃er Data Sheet［Z］.Analog Device Co.，Ltd，2009.

［4］ AD627.Micro-power， Single and Dual-Supply，Rail-to-Rail Instrumentation Amplifier［Z］.Analog Device Co.，Ltd，2004.

［5］LMF90.4th-Order Elliptic Notch Filter［Z］.Fairchild Co.，Ltd，1994.

［6］李黎，朱嘉林.小体积高性能电荷放大器的研制［J］.电子元件与材料，2014，33（4）：52-55.

［7］Vinogradov A，Holloway F.Electro-mechanical proper⁃ties of the piezoelectric polymer PVDF［J］.Ferroelec⁃trics，1999（226）：169-181.

Design of a Miniaturized Charge Amplifier Circuit

LI Gui-lei，XU Zhong，HE Chang-bo
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）

Because of the high price of marketable charge amplifier，a low price charge amplifier was developed.It is based on the principal of the circuit of the charge amplifier.Simulation and experimental test show that this circuit is feasible.It has advantage of good transient stability，low price and anti-disturbance character，zero shift is less than 20mV.

charge amplifier；Mulitsim10；low price；anti-disturbance

TN722.1

A

1009－9492(2015)10－0005－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.002

李桂磊，男，1988年生，山东烟台人，硕士研究生。研究领域：信号采集与处理。

(编辑：阮 毅)

*国家自然科学基金面上项目资助（编号：51075052)

2015－08－07