實現(xiàn)壓電傳感器系統(tǒng)的電荷放大器介紹

我最近寫了一篇文章，介紹了壓電傳感器的等效電路。它由電流源和并聯(lián)電容器組成，并且可以包括并聯(lián)電阻器以解釋由壓電材料產(chǎn)生的電荷隨時間減小的事實。

擴增問題

由壓電材料響應(yīng)機械應(yīng)力產(chǎn)生的電荷非常小。壓電系數(shù)的典型值是每牛頓數(shù)十或數(shù)百皮克庫姆。一個牛頓是一個相當大的力量，而100微微庫侖是一個微不足道的電荷量。顯然，我們需要一個可以將傳感器電荷轉(zhuǎn)換為可用信號的放大器。

另一個問題是放大器的輸出電壓與力，壓力或加速度的物理變化之間的數(shù)學關(guān)系。施加到壓電材料的力與電荷成比例，而不是電流。如果我們將傳感器的電流轉(zhuǎn)換為電壓，則產(chǎn)生的信號與施加的力變化的速率成比例，而不是與施加的力本身成比例。

如果您已經(jīng)閱讀了上一篇文章，您就會知道壓電傳感器的等效電路的輸出電壓與施加的力成正比。那么，為什么我們不能簡單地使用電壓放大器呢？嗯，可以使用電壓放大器，但在許多情況下，它不是首選的解決方案。問題是電纜電容。

處理互連電容

上一篇文章中給出的V OUT的表達式如下：

我們在等效電路的背景下提出了這個公式，該電路由電流源和電極產(chǎn)生的并聯(lián)電容組成。等式中的“C”指的是該電容，其與壓電裝置的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，并且據(jù)我所知，在典型的操作條件下，表現(xiàn)出有問題的變化。

然而，與傳感器并聯(lián)的任何其他電容源將有助于上述表達式中的“C”項; 也就是說，與將壓電器件連接到放大器的電纜相關(guān)的額外并聯(lián)電容將改變施加力與V OUT之間的關(guān)系。傳感器的電容不大（我已經(jīng)看到數(shù)百皮法和低納法拉范圍內(nèi)的數(shù)字）; 因此，電纜電容的微小變化 - 例如由更換或甚至重新布置電纜引起的電容 - 可能對系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。最重要的是，只有當傳感器靠近放大器電路時才應(yīng)考慮電壓模式放大。此外，放大器的輸入電容以與電纜電容相同的方式影響電荷 - 電壓關(guān)系，因此不同的放大器（即使它們具有相同的增益）也可以產(chǎn)生不同的輸出信號。

到目前為止，這聽起來像是一個麻煩的設(shè)計任務(wù)，但實際上有一個簡單的電路可以滿足我們的需求。它被稱為電荷放大器。

壓電傳感器用電荷放大器

電荷放大器是具有非常高輸入阻抗的積分器。集成功能將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，高輸入阻抗確保壓電換能器產(chǎn)生的少量電荷不會因泄漏而損失。

充電至電壓

上面顯示的電荷放大器讓我想起了跨阻抗放大器，但在反饋路徑中使用了電容而不是電阻，我認為當你第一次思考這個功能時，這個觀察是有用的。

跨阻抗放大器接受輸入電流并將其乘以反饋路徑中的電阻，這不僅增加了幅度而且還將電流轉(zhuǎn)換為電壓。電荷放大器做類似的事情，但在反饋路徑中使用電容而不是電阻產(chǎn)生的輸出與瞬時電流成比例，而不是與電流隨時間的累積成比例。換句話說，輸出告訴我們關(guān)于電流的積分（相對于時間）而不是給定時刻的電流大小。

在諸如光電二極管放大器的應(yīng)用中，傳感器的輸出信號是與光強度成比例的電流，我們不需要關(guān)于信號積分的信息。然而，對于壓電傳感器，被測量的量與電荷成比例，并且輸入信號是等于電荷導(dǎo)數(shù)的電流，因此輸入信號的積分給出了我們需要的信息，即電荷。

這是電荷放大器輸出電壓的表達式：

結(jié)論

我希望您現(xiàn)在了解電荷放大器的工作原理以及它們在使用壓電傳感器的系統(tǒng)中的優(yōu)勢。