如何设计压电传感器的电荷放大器

本文探讨了电荷放大器设计细节，包括ESD保护和频率响应。

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在之前的文章中，我介绍了电荷放大器作为将压电传感器产生的电荷转换为正常电压信号的有效方法。电荷放大器使用基本积分器拓扑 - 即，反馈路径中的电容器产生与输入电流的积分成比例的输出电压，并且反馈路径中的电阻器防止放大器饱和。

输出电压将高于和低于连接到同相输入端子的电压。如果您的运算放大器有负电源轨，则可以将此端子接地; 如果您使用的是单电源系统，则通常需要提供偏置电压。在上图中，偏置电压为V CC / 2。这是一个合理的选择，因为当没有输入信号时，输出将处于电源范围的中间，因此可用于正和负信号摆幅的电压最大化。

但是，V CC / 2绝不是每种设计的合适选择。如果您知道输出信号的正偏差将大于负偏差，则可以选择更接近地的偏置电压。例如，我曾经设计过一个放大器电路，其中输入信号是脉冲形正偏移，但放大器之前的AC耦合导致脉冲结束时的小的负偏移。如果我没记错的话，我使用了3.3 V电源电压和0.5 V偏置电压。0.5 V偏压足以保持负偏移的特性，正偏移的动态范围显着高于使用V CC / 2 的偏置电压所获得的动态范围。

上面所示的电路可以受益于压电传感器和反相输入端子之间的输入电阻： 

该电阻通过限制可能连接到反相输入端子的任何电压产生的电流量来保护运算放大器。我们当然不期待来自压电传感器的危险电压; 相反，这里的担忧是ESD袭击等缺陷。如果您在良好的环境中操作并且在使用敏感组件时要小心自己接地，那么您可能不需要担心破坏性电流。但传感器通常用于危险电气条件普遍存在的工业环境中，在这种情况下，包含保护电路是有意义的。

即使您不需要R IN作为保护组件，您仍应考虑将其包含在电路中。AAC的一位撰稿人向我解释说，在传感器和反相输入端子之间连接的电阻可以防止与振幅峰值相关的问题，甚至是高频振荡。他建议在100Ω至1kΩ范围内的某个电阻。

理想化的积分器 - 即在反馈路径中仅具有电容器且没有输入电阻器的版本 - 在低频，中频和高频下表现出相同的行为。但是，一旦我们开始添加电阻器，我们就必须考虑电路的频率响应。

反馈电阻R F使电路在低频下表现得像高通滤波器。截止频率计算如下： 

反馈电阻不会影响增益。因此，您可以根据系统所需的增益选择C F值，然后确定产生适当频率响应的R F值。这里的折衷是低频增益与电阻器对电容器放电的能力，并为反相输入端子提供直流偏置电流路径。您可以从等式中看出，R F的较低电阻会产生较高的截止频率，这意味着较低频率的传感器信号将被衰减。这就是为R F选择的值通常非常大的原因 - 1MΩ可能是一个很好的起点，根据所需的低频性能，向下调整到100kΩ或向上调整到10MΩ。

我们已经研究了压电传感器应用的电荷放大器设计中涉及的一些细节。如果您有电荷放大器和压电传感器的经验并想分享一些建议，请随时在下面的评论部分发布消息。