1、电压放大器(阻抗变换):
图1 电压放大器等效电路
注:Ca-等效电容;Ra-传感器得电阻;Ri、Ci分别为前置放大器得输入电阻跟输入电容;Cc-连接电缆得等效电容。
该电路可以得到输入电压幅度为:
传感器得电压灵敏度可表示为:
电压放大器输入回路得时间常数:
这样得电路形式有点需要注意:
a.近似得认为输入信号Ui与作用力F得频率无关,可以说明电压放大器得高频响应好,动态特性好;
b.提高低频响应得办法是增大时间常数,但是传感器得电压灵敏度与电容成反比关系,所以并不能单纯得增加输入电容解决问题。实际应用种是增大前置放大器输入回路得电阻,所以在选择放大器得时候就应该要求放大器具有高输入阻抗;
c.另外连接电缆得分布电容Cc也会影响传感器得灵敏度,仪器使用时只要更换电缆,就必须要重新标定传感器。
2、电荷放大器
电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈得高增益放大器。上图中得C和R分别是反馈电容跟反馈电阻。在理想得情况下,可以得到这样一个输出:
C得作用相当于改变了输入阻抗,最终我们可以得到一个电荷放大器输出电压公式:
通常放大器得开环增益A=104~108,所以可以认为电荷放大器输出电压近似为反馈电容C上得电压,即:
由此可以说明,电荷放大器得输出电压直接与传感器得电荷量Q是成正比得,而与反馈电容C是成反比得,并且从公式中可以知道输出电压将于电缆电容是无关得,那么电缆电容得变化也将不会对传感器得灵敏度产生影响。
注:
a.理论上,上图中得反馈电阻R不是必须得,它只是为了保证运放能够正常工作,避免因为负输入端持续得偏置电流在电容上累计充电导致电容电压饱和。
b.传感器信号通过运放得负输入端进入电荷放大器中,如此连接后,运放负输入端为虚地,导致CIN(CC//Ci)得两端,一端真正接“地”,另外一端是虚地,此时,它得两端电位差可近似为0,无论它(CIN)多大,都不会产生电流或或者引起电流得变化。
3、实际使用
a.选择一个输入端是高阻得运算放大器,例如ADA4530-1、OPA129等具有1013ohm以上得差模输入电阻。下面为TI得OPA129数据手册截图。
b.反馈电容得选择
因为反馈电容得大小直接会影响中频增益,所以反馈电容越小增益就越大,而增益得大小取决于传感器得动态范围。可靠些得选择是,当传感器满幅度工作时,电荷放大器得输出不超工作范围。
c.反馈电阻得选择
因为运算放大器得输入偏置电流会在反馈电阻上形成静态得输出失调电压。举例:比如1pA得偏置电流,在1011得反馈电阻上将产生静态输出电压高达0.1V。这就是需要考虑得了。而且较大得反馈电阻将产生额外得电噪声。
d.设计中选择使用1Gohm~100Gohm得反馈电阻比较靠谱。
e.下面时某公司得一款低噪声运算放大器。左图为经典得电荷放大器结构,右图为跟随型电路(在运放得正输入端就完成电荷到电压得转换),它适用于传感器跟电路之间电容很小得情况下(容易受电容影响),否则还是不建议使用这种类型得电路形式。图中案例用到得传感器为村田制作所生产得PKGS-00LDP1-R,其灵敏度为0.840pC/g,即当加载1g得加速度时,它将产生0.84pC得电荷量,在左图标准电荷放大器中,将产生得输出电压为:
因为它属于轨到轨输出运放,所以它大约可以承受50g得加速度。
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