一种双运放差分输入型电荷放大器电路研究

张静鹏，黄西宁，王民强，赵开源

（西人马（西安）测控科技有限公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

电荷放大器作为压电传感器的信号转换单元，可以将压电传感器产生的电荷信号转换为电压信号输出，实现了物理量之间的转换，被广泛应用于工业测试测量领域。通用电荷放大器作为适配压电传感器的信号调理单元被广泛应用，但是在一些工况恶劣和环境复杂的工业测试测量现场，通用型电荷放大器会出现一些未知的状况。同时放大电路很容易受到共模信号的严重干扰，受共模信号干扰的原始信号会发生严重的畸变，对测量结果带来不准确性[1,2]。

讨论电荷放大器电路的原理及模型，分析通用电荷放大器可能出现的问题与原因。考虑到通用电荷放大器电路的问题，设计了一种双运放差分电荷放大及滤波电路，对其进行了原理分析和功能仿真，结果表明该电路能够避免通用电荷放大器存在的问题，同时对共模和差模干扰具有很好的抑制能力，为后续的测量电路提供了稳定可靠的前级输入。

1 电荷放大器原理及模型

电荷放大器是将高阻抗输入的电荷量信号转换为低阻抗的电压量信号输出，压电式传感器在受到外界压力情况时，因压电效应原理会产生一定的电荷信号，电荷信号经过电荷放大器电路后，输出比例和幅值相反的电压信号。压电传感器可等效为电压源串联的电容或者电流源并联的电容。本文以第一种模型进行分析讨论，一个完整的电荷采集转换电路如图1所示[3]。

图1 电荷放大电路

其中CPE为压电传感器的等值电容，RPE为等效内阻，CC为压电传感器和电荷放大器之间电缆的等效电容，Rf和Cf分别为电荷放大器电路的反馈电阻和反馈电容，A为运算放大器的开环增益。对该等效电路进行数学模型分析，建立输入电荷与输出电压的关系式为：

对式（1）假设以下条件：运算放大器的“开环”增益A无限大，输入电阻无限大，输入端子处没有“偏移”电压；传感器内阻RPE无穷大，反馈电阻Rf无穷大。通过以上条件对式（1）进行简化得出输出电压Uout与输入电荷Qp的关系为：

通过式（2）可知，在理想的条件下，电荷放大器输出电压与电荷量关系完全由反馈电容Cf决定，电缆电容CC在确定这个增益时不起作用。运算放大器输入端电压Uin为0，这意味着在传感器等效参数CC或RPE上没有电压产生，也就没有电流流过这些元件，即使是压电电阻RPE低也不会对电荷放大器的性能产生负面影响。

2 电荷放大器电路特性及参数影响分析

2.1 反馈电阻Rf的作用

反馈电阻Rf存在是因为运算放大器的端子需要一条直流通路接地，否则电路将会很快出现饱和，从而导致放大电路的交流信号无法通过。放大器饱和意味着放大器已经不在其线性工作范围内，此时放大器输出的是一个失真的信号，实际应用不允许发生此种情况。

2.2 低阻抗传感器带来的问题

通常情况下，压电传感器内阻会保持在很高的水平，但是在一些特殊的场景下，要求传感器的运行温度可达485 ℃或更高。根据压电晶体材料特性，其内阻会显著降低至兆欧甚至千欧级别，由此会造成电荷量在传感器低阻抗回路进行泄放。同时由于运算放大器端子处的泄漏电流和偏移电压，足够的电流将流入RPE，运算放大器的静态工作点会出现偏移，输出信号可能会出现失真，严重时会导致运算放大器出现饱和现象。此外，传感器内阻降低会影响放大电路的低频特性。

2.3 共模干扰问题

电荷放大器是一种高增益电路，对噪声很敏感，任何干扰输入信号的电容耦合都会对电路性能产生不利影响。就单端输入方式而言，传感器信号输入端子中的一个注入电流，另外一端接地，电荷放大器只会放大干扰信号，而对差分输入来说，施加的两个工模信号会相互抵消[4]。通用电荷放大器多采用单端方式，该方式不能对共模干扰信号进行抑制。

3 差分电荷放大电路

差分输入型电荷放大器因其对称结构，会对输入的共模干扰信号进行抑制，可以保证原始信号的真实性。

3.1 常规差分输入电荷放大电路

常规的差分输入型电荷放大电路有单运放和三运放结构两种，单运放电路元件少、结构简单，但电路无法做到完全一致，因此共模信号抑制有限。三运放结构电路可以做到对称性一致，但因采用的是多运放结构，各运放之间也无法完全做到一致性，需通过外部电路参数来调整达到一致，因此三运放电路元件多且调试烦琐[5,6]。

3.2 改进的双运放差分电荷放大电路

针对单运放和三运放差分电荷放大电路结构的缺点，设计了一种双运放构成的差分电荷放大电路，该电路结构如图2所示。

图2 双运放差分电荷放大器电路

对称双运放差分输入电路结构，第一级运放实现高阻抗电荷输入转换，第二级运放实现反向电压跟随，低阻抗电压输出。第一级运放正负输入端通过电容耦合，隔断了传感器与运算放大器的直流通路，在传感器内阻降低的情况下不会影响传感器输入直流回路阻抗。

3.3 二阶有源低通滤波电路

差分输入只能对工模干扰信号进行抑制，而无法抑制叠加在有用信号上的差模干扰信号，只能通过后级滤波电路进行去除[7]。差模干扰通常以高频成分存在，故采用滤波带平坦的二阶有源低通滤波电路作为后级滤波电路，结构如图3所示。

图3 二阶有源低通滤波电路

4 双运放差分输入电荷放大电路仿真研究

对设计的双运放差分输入电荷放大电路进行仿真，以验证电路的功能及对共模和差模信号的抑制能力。电荷输入信号采用电压源串联电容模型，电压源参数为400 Hz/5Vp-p，串联等效电容为1 nF，差分电荷放大电路的反馈电容为1 nF，反馈电阻为100 MΩ，共模干扰信号参数为50 Hz/1Vp-p，差模干扰信号为20 kHz/1Vp-p，滤波器截止频率为1 kHz（-3 dB），仿真电路模型如图4所示。

图4 双运放差分电荷放大器仿真电路模型

电路仿真时域和频域波形如图5和图6所示，通过仿真结果可以看出，该电路实现了差分电荷放大功能，同时对共模和差模信号进行了有效抑制。由于设计的二阶有源滤波电路在400 Hz频点处相位滞后40°左右，因此滤波前后波形存在一定的相位差。

图5 电路仿真时域波形

图6 电路仿真频域波形

5 结 论

针对通用电荷放大器存在的问题设计了一种对称结构双运放差分电荷放大器电路，分析结果表明该放大电路结构直流回路阻抗不会受到传感器低阻抗特性影响，放大电路低频响应特性也不会发生显著改变。通过仿真验证，该电路对共模干扰起到了良好的抑制作用，设计的二阶有源滤波电路对电路存在的差模干扰也进行了显著的抑制。该电路结构简单、成本较低、抗干扰性强，具有较高的实际应用价值。