基于AD8601的电荷放大器的设计

朱新翔，陈江伟，纪晓轮，唐 平，谢奇峰

（江苏国电南自海吉科技有限公司，江苏 南京 210009）

压电加速度传感器输出的电荷量很小，不能用一般的测量电路测量。一般的测量电路输入阻抗较低，而压电加速度计内阻很高[1]，为了阻抗匹配，要求后续测量电路输入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，会导致传感器上的电荷经过测量电路之后会泄露掉，造成测量误差。因此，需要设计电荷放大器，方便一般的信号处理电路来处理压电加速度传感器采集到的信号。电荷放大器是用于将电荷转换成电压的运算放大电路，从而变化的电缆分布电容不会影响电荷的测量结果[2]。因此设计性能良好的电荷放大器在测量系统中具有重要的意义。

1 电荷放大器设计存在的技术难点[3]

电荷放大器设计存在的技术难点主要有三个方面：传感器方面、运算放大器方面、反馈电容的选取方面。

传感器部分主要有：（1）输出信号较小。（2）传感器的频率范围很大。现在精度高的传感器低频可以做到0.000 01 Hz，接近直流，高频可以到达 1.2 kHz，对运放的响应频率要求很高。同时低频时，输出的信号幅度较小，信号很微弱。

运算放大器方面：电荷放大器的反馈电阻非常大，通常在150 MΩ以上。因而对运算放大器的要求是具有很低的偏置电流和很高的输入阻抗。如果要制作频带响应非常好的电荷放大器，反馈电阻通常在1 GΩ以上，即使是纳安级别的偏置电流也会产生数伏以上的偏压。

反馈电容Cf的选取方面：电荷放大器是一个深度负反馈的高增益放大器。要求反馈电容具有时间和温度稳定性好等高性能。

2 电荷放大器原理简介

压电加速度传感器与电荷放大器的连接示意图如图1[4]：

图1 电荷放大器连接图

由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器的输入端的有效电容C′f为，

反馈电阻Rf等效到放大器的输入端的有效电阻为[16]

设运放开环增益为A，则输出电压为

在实际电路中，运算放大器的增益A＞＞1，同时运算放大器输入阻抗高，则此时，可以忽略传感器自身电阻Ra、自身电容 Ca，放大器输入电阻 Ri、输入电容 Ci，电缆电容Cc。同时在频率较高时可以忽略反馈电阻等效到输入端的电阻。则在频率高时放大器的输出成为

由式子（4）可以知道在电荷放大器中，输出电压只与电荷量成正比。

电荷放大器中，运算放大器采用电容负反馈，对直流工作点相当于开环，因此零点漂移很大。为了使工作稳定，在反馈电容两端并联了电阻Rf用来稳定放大器工作点。

3 电荷放大器设计

3.1选择元件

3.1.1选择运放

经过前文的讨论，制作一个高质量的电荷放大器是相当困难的事情，首先要选取合适的芯片。压电加速度的特性要求电荷放大器输入电阻应该无穷大，偏置电流无穷小。传感器输出的电荷信号比较微弱，需要运放具有宽频段，增益足够大。本设计在经过多方综合考虑之后，选择ADI公司的AD8601芯片来设计电荷放大器。AD8601具有低偏置电流，低偏置电压，具有8 MHz的带宽，具有高增益特性[5]。符合设计所需参数要求。

3.1.2反馈电容的选择

由式子可知，电荷放大器中输出电压只与反馈电容Cf有关，Cf决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大器的频率响应特性。电容性能的好坏直接决定着电荷放大器是否稳定。本设计要求电容具有大的泄露电阻、吸附效应小、稳定性高等高性能。经过综合考虑，选择聚苯乙烯电容做反馈电容。同时，对于电荷放大器，电缆线要尽可能短，反馈电容尽可能大，减少干扰。本设计选用1 000 pF的电容值的电容。

3.1.3反馈电阻

电路采用了电容反馈，会导致零点漂移较大。电荷放大器对直流的漂移很敏感。为了使电荷放大器稳定工作，在反馈电容上并联了一个反馈电阻。由电荷放大器的下限截止频率f=可知，在 C一定情况下，要Lf保证下限截止频率，反馈电阻Rf必须尽可能的大[6]。本设计反馈阻值选择1 GΩ的高精度电阻。

3.2设计电路

综上所述，完成了电荷放大器的设计。本设计如图2所示。

AI为传感器电缆输入的SMA接口，R30电阻用来消除在电缆传输中带入的噪声干扰。BAV199是稳压保护电路，防止电路电压一时过高，对放大器有影响。BAV199可以将电路工作电压限制在-2.6 V到2.6 V之间。R22与C181为反馈电阻及反馈电容。电路实现了电荷放大功能，完成了预期要求。

本文从电荷放大器的基本原理出发，分析了电荷放大器的原理，以及设计过程中应该注意的事项，设计出一个应用于电机状态检测系统的电荷放大器。

[1]查万纪.压电加速度传感器测量电路的研究与设计[D].安徽：安徽大学，2005.

[2]王昊.集成运放应用电路设计 360例[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]谢静.新型电荷放大器设计[D].陕西：西安理工大学，2008.

[4]徐赛秋，杨新尧.振动测量系统中双积分电荷放大器的设计与应用[J].实验室研究与探索，1994（4）：75-82.

[5]ADI.AD8601数据手册.2000.

[6]魏东，张志杰，裴东兴.电荷放大器可靠性分析[J].中国测试技术，2007，33（1）.