研究与 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１５．１０．００２ 一种小型电荷放大电路设计母 李桂磊，徐 中，贺长波 （大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 １１６０２４） 摘要：由于市场上销售的电荷放大器价格昂贵，设计了一种低成本、小型电荷放大器。研究了电荷放大电路的原理，并依据原 理设计了电荷放大器。通过仿真和实验测试了该放大器的可行性。实验证明，该电荷放大器动态稳定性好，抗干扰性强，零点 漂移小于２０ ｍＶ。 关键词：电荷放大器；Ｍｕｈｉｓｉｍ１０；低成本；抗干扰 中图分类号：ＴＮ７２２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９４９２（２０１５）１０—０００５—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＬＩ Ｇｕｉ—ｌｅｉ，ＸＵ Ｚｈｏｎｇ，ＨＥ Ｃｈａｎｇ—ｂ０ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄ￣ｉａｎｌ１６０２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｉｃｅ ｏｆ ｍａｒｋｅｔａｂｌｅ ｃｈａｒｇｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａ ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ ｃｈａｒｇｅ ａｍｐｌｉｉｅｒｆ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ．Ｓｉｆｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｉｔｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｉｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｇｏｏｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｚｅｒｏ ｓｈｉｆｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｈａｎ ｔ２０ｍＶ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｈａｒｇｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ；Ｍｕｌｆｉｔｓｉｍｌ０；ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ；ａｎｔｉ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ０前言 由于压电传感器发生变形后产生的是电荷 量，需要电荷放大电路进行处理。压电传感器的 应用越来越广泛，领域涉及到航海、航空、医 向上的应变常数。 根据压电传感元件的正压电效应，压电传感 元件可以等效为一个电荷源与一个电容并联的情 况（见图１（ａ））。等效电容量为 ＝疗、防盗等等，且一些领域需要传感器阵列，相 对应的需要多个电荷放大器。目前市场上电荷放 大器价格昂贵，体积较大，不适合某些特定的场 合，因此本文设计出一种低成本、电路相对简单 的电荷放大电路，通过仿真和实验验证，该电路 工作性能良好。 等＝ （２） 其中，ｃ 为压电薄膜的等效电容；ｅ为介电 常数；Ａ为压电薄膜的面积； 为压电薄膜的厚度。 当两板间聚集一定的电荷时，两板间又出现 一定的电压，电压值见式（３）。因此压电传感元 Ｃ １压电传感器压力检测原理 压电材料经过极化后，在外力的作用下上下 表面会产生正负极性相反的电荷，即压电效应口】。 一定面积的压电传感元件受到的外力，与产生的 Ｑ＝ｄ３３・Ｆ （１） （ａ）等效电荷源 （ｂ）等效电压源 电荷Ｑ之间满足下面的公式： 其中 ，为压电传感元件在电轴和机械轴３方 ＋国家自然科学基金面上项目资助（编号：５１０７５０５２） 收稿日期：２０１５—０８—０７ 图１ 压电传感器等效电荷源和等效电压源 与开发 件又可以等效为一电压源与一个电容串联的情况 （见图１（ｂ））。 仃 Ｕｏ＝ ０ （３） 其中， 为两极板间的电压；Ｑ为两极板上 聚集的电荷量；ｃ。为两极板间电容。 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪 器相连，连接导线上存在寄生电容，其等效值为 ｃ。，前置放大器的输入电阻 、输入电容Ｃ 也 会对电路产生一定的影响，加上压电传感器自身 的绝缘电阻Ｒ。，压电传感器的等效电路可以等效 为图２所示的电路。 Ｃ 图３ 电荷放大器作为前置放大电路 由式（５）可知， 电荷放大器的输出电压 只与输入电荷Ｑ 和反馈电 容 相关，与电缆电容ｃ 无关，且与Ｑ。成正比。所 以，采用电荷放大器时， 即使连接电缆较长，更换 电缆线，其灵敏度也无明 （ａ）电压源 （ｂ）电荷源 显变化。 图２ 压电传感器的完整等效电路 ２电荷放大电路的设计 压电传感元件表面受 到外力作用产生的电荷被传输到外接电路中，如 果测试的是静态力，则表面不再产生电荷。如果 压电传感元件表面产生的电荷需要将其转换 为电压后才能进行后续的处理，由于压电传感元 件自身的内阻很高，达到ｌ０ｍ ｎ，而输出的电荷 信号很微弱，需要用输入阻抗很高的前置放大器 要测量静态力，则电荷转换电路的反馈电阻阻值 需要很大［２１。由于本文所设计的电荷转换电路反馈 将电荷信号转化为电压信号，将高输入阻抗转化 为低输入阻抗，然后再用一般的放大检波电路将 信号输入到检测电路中。 电阻较小，适于测试压电传感元件的动态力。电 荷放大电路包括了前置放大电路、电压放大电 路、工频陷波电路以及抑制零漂的直流反馈网络。 ２．１前置放大电路 前置放大器分为电压放大器和电荷放大器， 本文选择电荷放大器。由于压电传感元件和电荷 放大器的输入阻抗很高，电荷放大器输人端基本 上没有分流，因此可以略去Ｒ。和 和反馈电阻。 在动态力的作用下，表面产生的电荷可以等 效为电流。本文选择ＡＤ５４９作为电荷转换器， ＡＤ５４９／ ｌ是具有极低输入偏置电流的运算放大器。 其相关参数如表１所示。 表１ ＡＤ５４９主要参数 （如图３）。 图３中ｃｒ和尺，分别代表电荷放大器的反馈电容 电荷放大电路中，放大器的输出电压与输入 电荷之间的关系如式（４），通常合适的电荷放大 器增益Ａ的值在ｌ０４—１０。，此时，（１＋Ａ） ＞＞ Ｃ ＋Ｃ ＋ｃ ，因此式（４）可以近似化简为式（５） ， 一 一Ａ 一 ０一Ｃ ＋Ｃ ＋Ｃ ＋ｆ１＋Ａ、 ， ，一…叶 该电路的低频截止频率 为公式（６）。由公 Ｕ ０一Ｃ 一 （５） 式（６）可知增大电阻Ｒ，和电容Ｃ，都能够获得 李桂磊 等：一种小型电荷放大电路设计 研究与开 更低的低频截止工作频率。但是增大 ，，零点 ２．３工频陷波电路 漂移也随之增大；增大ｃ，，由式（５）可知输出 压电传感元件灵敏度高，极易受到外界干 电压减小。为了实现输出的动态归零，本文选用 扰，尤其是５０ Ｈｚ工频干扰。为了消除干扰，本 Ｔ型电阻反馈，经过计算其反馈电阻阻值Ｒ，等于 文选用美国ＮＩ公司生产的四阶椭圆陷波器 １．１ Ｇｎ。反馈电容选择２００ ｐＦ，由公式（６）得到 ＬＭＦ９０Ｉ￣ｌ。其陷波中心频率（见式（９））可以通 该电路的低频截止频率为０．７２４ Ｈｚ。 过外接晶振来实现。本文选择外接晶振频率为 ＾＝１／（２，ｔｒＲ ｒＣｆ） （６） ３．５４９ ５４５ ＭＨｚ，经过计算后其陷波中心频率为 ２＿２电压放大电路 ４９．９９ Ｈｚ。 电压放大器选用微功耗仪用放大器ＡＤ６２７ｔ４１， ＝其直流误差小、共模抑制比高，放大倍数最大为 嘉× （９） 其中 为陷波器的中心频率； 为外接晶 １ ０００倍，只需调节１和８脚的外接电阻即可实 振的频率；ｄｉｖ为时钟分频因子；ｒａｔｉｏ为时钟频率 现，适合微弱电压信号的放大。其放大倍数计算 与陷波中心频率比例因子。陷波带宽由引脚ｌ和 公式为： １０的外接电平来设定，本文使１和１Ｏ脚接地，则 Ｋ ＝５＋２ｏｏｋ （７） 陷波带宽的计算值为ｌ３ Ｈｚ。 式中 为ｌ脚和８脚的外接电阻。本文选取 ３电荷放大电路Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０仿真 为８ ｋｔ２，经过计算其电压放大倍数为３０倍。 通过Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０对上面设计的电路进行仿 压电传感元件产生的电荷信号经过前置放大电路 真，由于ＭｕｈｉｓｉｍｌＯ中没有电荷源，而压电传感 和电压放大电路后，其输出电压 与传感器产生 元件可以等效为电压源与电容串联的情况，因此 电荷 之间关系式如式（８） 本文选取１００ ｍＶ的正弦波串联一个电容ｃ 等效压 ＵＫ＝Ｑ Ｋｓ／Ｃｆ （８） 电传感元件嘲。仿真电路图如图４所示。通过修改 图４ 电荷放大电路Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０仿真图 与开发 电容ｃ ，连接导线电容ｃｃ来观察前置放大电路 与电压放大电路的输出电压幅值 与 （结果 见表２），ｃ，设置为２００ ｐＦ。由于ＭｕｈｉｓｉｍｌＯ中没 ＼ ∞ 输出电压为一４．２３０ ｍｖ。本文在仿真的基础上，搭 建了硬件电路。 ４硬件电路搭建和检测 硬件电路通过实验板搭建，芯片选择为直插 型。由于温漂对电荷放大电路的影响较大，本文 在搭建电路时选择温度性能较好的聚苯乙烯电容 和金属膜电阻，减少温度的影响。在零输入情况 下，通过调节ＡＤ５４９的调零电位器使电压放大电 路的输出电压归零。电荷放大电路中使用的芯片 都采用双电源－Ｉ－５ Ｖ供电，通过ＩＣＬ７６６０芯片提 有ＬＭＦ９０芯片，因此本文设计了一个中心频率为 ５０ Ｈｚ、放大倍数为１的典型二阶带阻滤波器，观 察其陷波效果。选择尺的值为３２ ｋＱ，Ｃ的值为 １００ｎＦ。仿真时提供一个５０Ｈｚ和２００Ｈｚ的正弦信 号，结果（图５所示）表明带阻滤波器对５０ Ｈｚ的 正弦波进行了有效的抑制。 表２ Ｃ ／ 取不同值时仿真电压输出 供一５ ｖ电压。使用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ数字示波器检测搭建 的信号调理电路，在没有输入信号的条件下，零 点漂移小于２０ ｍＶ，对５０ Ｈｚ工频干扰进行了有效 的抑制。除工频干扰外，信号调理电路受到的干 扰主要包括高频噪声干扰、声干扰和电缆噪声干 扰。为了更好地抑制干扰，设计制作了铝屏蔽箱。 采用锦州科信公司生产的聚偏氟乙烯 （ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｌｆｕｏｒｉｄｅ，ＰＶＤＦ）压电薄膜传感器 由表２可知，使用电荷放大器作为前置放大 器，连接导线的电容 对灵敏度的影响很小，可 以忽略不计。表２也对公式（５）、（７）、（８）进行 了验证。同时也证明前置放大电路选择ＡＤ５４９是 可行的。 验证搭建的电荷放大电路的可行性，其厚度为 ３０ ｍ，尺寸为８ｒａｍ×５０ｒａｍ（见图６）。ＰＶＤＦ压 电薄膜是一种高分子聚合物型敏感材料，具有质 图６ ＰＶＤＦ压电传感器 量轻、灵敏度高和柔韧性好的特点 。ＰＶＤＦ压电 薄膜的频率响应范围很宽，为０．０１５ Ｈｚ～１０ Ｈｚ。 图５ 电荷放大电路Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０仿真效果图 既适用于低频也适用于高频。将ＰＶＤＦ压电薄膜 粘贴在桌面上，在脉冲压力的作用下，使用Ｔｅｋ 不施加电压源的情况下，测试前置放大电路 和电压放大电路的输出，通过示波器查看存在零 点漂移，分别为５．１３８ ｍＶ和一１４６．７１７ ｍＶ。为了抑 制零点漂移，本文选用ＡＤ７１１设计了直流反馈网 络（如图４所示），加入直流反馈后电压放大电路 数字示波器检测电荷放大电路输出图（图７中ａ） 和前置放大电路输出图（图７中ｂ）。 ５结论 通过研究压电传感器和电荷放大器的工作原 理，设计了一种电荷放大电路，通过仿真和实验 李桂磊 等：一种小型电荷放大电路设计 研究与 民邮电出版社，２００６：１６０—１６５． ［２］邓维礼，秦岚，刘俊．基于Ｍｕｈｉｓｉｍ的准静态电荷放 大器仿真分析［Ｊ］．理论与方法，２００９，２８（４）： ２４－２６． １ ３ Ｊ ＡＤ５４９．Ｕｈｒａｌｏｗ Ｉｎｐｕｔ Ｂｉａｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｉｆ— ｅｒ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］．Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏ．，Ｌｉｄ，２００９． １ ４ ｊ ＡＤ６２７．Ｍｉｃｒｏ—ｐｏｗｅｒ， Ｓｉｎｇｌｅ ａｎｄ Ｄｕａｌ—Ｓｕｐｐｌｙ， Ｒａｉｌ—ｔｏ—Ｒａｉｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ［ｚ］．Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，２００４． ［５］ＬＭＦ９０．４ｔｈ—Ｏｒｄｅｒ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｎｏｔｃｈ Ｆｉｌｔｅｚ一［Ｚ］．Ｆａｉｒｃｈｉｈｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，１９９４． ［６］李黎，朱嘉林．小体积高性能电荷放大器的研制 ０ ５ ［Ｊ］．电子元件与材料，２０１４，３３（４）：５２—５５． ［７ ｊ Ｖｉｎｏｇｒａｄｏｖ Ａ，Ｈｏｌｌｏｗａｙ Ｆ．Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ— 图７ 前置放大电路和电荷放大电路（输Ｈ｛ ｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｒｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ＰＶＤＦ［Ｊ］．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃ— ｔｒｉｅｓ，ｌ９９９（２２６）：ｌ６９一ｌ８１． 对一【作原理进行了验证，针对实验中的各种干 扰，制作了铝屏蔽箱，实验测试表明，该电路具 有抗干扰性好，动态响应好．成本低等优点。 参考文献： 第一作者简介：李桂磊，男，１９８８年生，山东烟台人．硕 士研究生。研究领域：信号采集与处理。 （编辑：阮毅） ［１］刘爱华，满宝元．传感器原理及应用［Ｍ］．北京：人 ・—＋～－＋－＋一＋－＋－＋一—■一・—。●一－—‘●一・—。●一－—●一－—●一－’－—卜－＋－＋－＋一—＿一一・— 卜－—－＋一－—＋一－—・＋一－——＋一－—＿一一—＿．－－＋・＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋・ 欢迎订阅机械传动 杂志 《机械传动》杂志创刊于１９７７年（原名齿轮），由中国机械工业联合会主管，郑州机械研究所、 中国机械工程学会、中国机械通用零部件工业协会齿轮分会共同主办，是中国机械工程学会机械传动 分会和中国机械通用零部件工业协会齿轮分会两组织的会刊。 本刊是中文核心期刊，中国科技核心期刊，中国科学引文数据库和中国学术期刊综合评价数据库 统计源期刊，中国期刊网、中国学术期刊（光盘版）入编期刊，中国期刊全文数据库收录期刊。 本刊主要报导机械传动领域（包括齿轮传动、机构学、链传动、带传动、机械无级变速传动等） 的理论、设计、试验研究、测量、材料热处理、制造、润滑等方面的新成果、新技术、新工艺以及国 内外发展动向等方面的著作和信息。 本刊每月１ ５日出版，每期１ ６０页，定价１ ５元／期，全年１ ８Ｏ元。国内统一代号：ＣＮ４１—１ １ ２９／＿ｒＨ， 国际标准刊号：ＩＳＳＮ１００４—２５３９，广告许可证号：４１０１００４００００１ １，邮发代号：３６—３６，全国各地 邮局均可订阅。 本刊竭诚欢迎机械行业的各类人士踊跃投稿、订阅、刊登广告。 厂——Ｔ 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