電荷放大器原理

　　導(dǎo)讀：眾所周知，放大器是一種對(duì)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(lái)我們就一起來(lái)了解一哈吧～

一、電荷放大器原理- -簡(jiǎn)介

　　電荷放大器，如同其字面意思一樣，是一種對(duì)電荷進(jìn)行放大的器件，主要由電荷變換級(jí)、低通濾波器、高通濾波器、末級(jí)功放和電源等幾大部分構(gòu)成。下面我們就來(lái)詳細(xì)講述這幾大部分在放大電荷的過(guò)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(jí)、低通濾波器、高通濾波器、末級(jí)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(jí)，電荷放大器的第一部分，其輸入的是高阻抗低噪聲信號(hào)，運(yùn)用的是低漂移寬帶精密運(yùn)算放大器。其反饋電容Cf1具有101pF、102pF、103pF、104pF四個(gè)檔位，反饋到輸入端后的有效電容可通過(guò)公式C =(1+K)Cf1計(jì)算得出(其中，K為開(kāi)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(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，且對(duì)高頻干擾信號(hào)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(wú)源高通濾波器，可對(duì)低頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效的濾除。

　　末級(jí)功放，電荷放大器的第四部分，主要用于完成對(duì)有用信號(hào)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(gè)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(jí)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(yùn)算放大器反向端產(chǎn)生的差動(dòng)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(yùn)算放大器的開(kāi)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(jí)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(lái)計(jì)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(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中，單獨(dú)作為一個(gè)模塊存在，如下圖(存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)模塊圖)所示。電荷放大器作為該測(cè)試流程中的一個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)，一旦其出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)測(cè)試將無(wú)法完成。

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