电荷转换电路分析

加速度振动传感器输出微弱电荷信号且传感器输出阻抗高，因此采用Q/V转换电路作为传感器的输入级电路，放大传感器输出微弱电荷信号并转换为电压输出，同时将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。Q/V转换电路是电荷转换器的核心，由一个反馈电容fC和高增益、高输入阻抗的运算放大器构成（拟选用运算放大器OPA111AM，其主要参数如表1所示），差分输入使传感器信号浮地，避免电荷信号输入端从电源地引入噪声。表1运放OPA111AM主要参数符号定义指标Rid差模输入电阻1013ΩAvd差模开环电压增益106BWG单位增益带宽3MHz工作温度-55℃~125℃为了分析Q/V转换电路输出电压是否受传感器与电荷转换器的电缆电容的影响，在此对Q/V转换电路（如图1所示）作相关分析。CcCiCaRiRaQUoCfRf电缆电容图1Q/V转换电路等效电路图图中：fC为电荷放大器的反馈电容；aC为压电加速度传感器的等效电容；cC为连接电缆的电容；iC为放大器的输入电容；aR为压电加速度传感器的绝缘漏电阻；iR为运算放大器的输入阻抗；fR为电荷放大器的反馈电阻；A为运算放大器的开环增益；Q为压电加速度传感器的输出电荷量；其中反馈电容fC折合到放大器的输入端的有效电容fC为：=ffCAC（1+）（1）反馈电阻fR等效到放大器的输入端的有效电阻fR为：=ffRRA1+（2）由于考虑到反馈电容fC的泄放和加入直流负反馈用以稳定放大器直流工作点减小零漂的需要，为此在反馈电容fC的两端并联上反馈电阻fR。下面设压电加速度传感器自身的供电角频率为，压电式加速度传感器的压电晶片产生的电荷不仅对反馈电容fC充电，同时也对aC、cC、iC充电，因此实际的电荷放大器的输出oU可以有下式表示：[(1/)(1/)(1/)]oaifacifjAQURRRjC+C+C+(1+A)C（3）由于压电加速度传感器的绝缘电阻aR和运算放大器的输入阻抗iR均在GΩ级以上，为此我们将之简化为：(1/)ofacifjAQURjC+C+C+(1+A)C（4）由表可知，本方案中选用的运算放大器的开环增益为106，即1A，故有：acifC+C+C(1+A)C（5）此时aC、cC、iC均可忽略不计，放大器的输出电压可以表示为：/(1/)offffjAQjAQU(1+A)Rj(1+A)CRj(1+A)C（6）由上式可以看出电荷放大器的输出电压可由下式表示：(/)(1/)offfffjAQjAQQU1RjC(1+A)CRj(1+A)C（7）式中，负号表示放大器的输出信号与输入信号相反，可以看出电荷变换级的输出电压仅与传感器产生的电荷量及电荷放大器的反馈电容fC有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。