電荷放大器原理

導(dǎo)讀：眾所周知，放大器是一種對各參量進(jìn)行放大的儀器，因此電荷放大器字面就可理解為放大電荷的儀器。究竟電荷放大器是不是和字面意思一致呢?它又是如何完成其特定功能的呢?接下來我們就一起來了解一哈吧～

一、電荷放大器原理- -簡介

電荷放大器，如同其字面意思一樣，是一種對電荷進(jìn)行放大的器件，主要由電荷變換級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放和電源等幾大部分構(gòu)成。下面我們就來詳細(xì)講述這幾大部分在放大電荷的過程中分別完成的是什么功能?扮演的是什么角色?

二、電荷放大器原理- -結(jié)構(gòu)

電荷放大器主要由電荷變換級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放和電源這幾大部分構(gòu)成，其各部分所完成的功能如下：

電荷變換級，電荷放大器的第一部分，其輸入的是高阻抗低噪聲信號，運用的是低漂移寬帶精密運算放大器。其反饋電容Cf1具有101pF、102pF、103pF、104pF四個檔位，反饋到輸入端后的有效電容可通過公式C =(1+K)Cf1計算得出(其中，K為開環(huán)增益，常取106倍)。

低通濾波器，電荷放大器的第二部分，一般情況下使用的是二階巴特沃斯有源濾波器，其具有通帶平坦、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點，且對高頻干擾信號的消除具有較高的可靠性。

高通濾波器，電荷放大器的第三部分，一般情況下使用的是二階無源高通濾波器，可對低頻干擾信號進(jìn)行有效的濾除。

末級功放，電荷放大器的第四部分，主要用于完成對有用信號的放大。

電源，不是電荷放大器串聯(lián)流程中的一部分，但卻是其工作所不可缺失的，主要用于為電荷放大器提供能量。其將220V電壓經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等幾個環(huán)節(jié)后得到電荷放大器工作所需的15V電壓。

三、電荷放大器原理

電荷放大器的原理圖如下所示，其中，Q為壓電晶體在外力作用下產(chǎn)生的電荷，Ca為傳感器的級間電容，Cc為傳感器的傳輸電纜的電容，Gc為輸入電纜的漏電導(dǎo)，Ci為電荷放大器的輸入電容，Gi為電荷放大器的輸入電導(dǎo)，Cf為電荷放大器的反饋電容，Gf為電荷放大器的反饋電導(dǎo)，Ud為運算放大器反向端產(chǎn)生的差動電壓，U0為電荷放大器的輸出電壓。

因此根據(jù)該原理圖可得：

Qa=Ud×Ca(Qa是電容Ca中存在的電荷);

Qc=Ud×Cc(Qc是電容Cc中存在的電荷);

Qi=Ud×Ci(Qi是電容Ci中存在的電荷);

U0=-Ud×A(A為該運算放大器的開環(huán)系數(shù))

=>Ucf=Ud-U0=Ud(A+1)(Ucf為電容Cf兩端的電壓)

=>Qf=Ucf×Cf=Ud×(A+1)Cf(Qf是電容Cf中存在的電荷);

Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)

=>Ud=Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)

=>U0=-Ud×A=-A*Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf);

忽略數(shù)量級較小的參量可得U0=-Q/Cf;

因此可根據(jù)傳感器的量程、電荷靈敏度、反饋電容大小來計算最大的輸出電壓。

四、電荷放大器原理- -應(yīng)用

電荷放大器常用作存儲測試系統(tǒng)中，單獨作為一個模塊存在，如下圖(存儲測試系統(tǒng)模塊圖)所示。電荷放大器作為該測試流程中的一個串聯(lián)環(huán)節(jié)，一旦其出現(xiàn)問題，對產(chǎn)品的整個測試將無法完成。

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