数控增益电荷放大器的设计

摘要：在此篇中，主要基于数控增益的原理和梯形电阻的等效高阻来实现对低频响应的设计。其中具体说明了运用反馈网络来完成低频响应的设计的方法，并使用D/A转换器数实现数控增益功能。

关键词：电荷放大器；梯形反馈网络；数控增益；D/A转换器

中图分类号：TP331 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4325-03

对高灵敏度传感器微弱信号放大主要有两种方式：高阻抗电压放大器和电荷放大器。电荷放大器有出色的抗干扰特性，适合匹配容性传感器，它把传感器产生的电荷信号转换成可处理的电压信号。主要用于冲击、加速度等测量。数控增益电荷放大器是电荷放大器的一种，用来实现电荷到电压的转换，并且增益可数控，具有转换精度高、使用频带范围宽等优点，尤其适用于计算机控制和处理系统。

1 原理简介及电路框图

1.1 电荷放大器电路设计原理

数控增益电荷放大器原理是把容性传感器产生的电荷经“电荷/电压转换电路”转换为电压量，“隔直缓冲电路”去除前级放大器的直流误差，“数控增益控制”完成电压量的数控放大。本电路在设计过程中，首次采用梯形电阻反馈网络使反馈等效电阻高达2GΩ。

电路原理框图如下：

加速度g与传感器产生的电荷Q的多少成正比，因此单电源电荷放大器基本型电路是一个积分电路。数控增益电荷放大器基本原理就是把传感器上的电荷按一定比例转移到一个积分电容上，由高输入阻抗电压放大器转换出电压信号，电压增益大小受12位数控。

1.1.1电荷放大的原理

电路的核心部分是“电荷/电压转换电路”，其原理电路如图2。

传感器可以看作是容性信号源，可用等效电容CS和等效电压eS表示，Ce是电缆分布电容。电荷放大器是一个电压并联负反馈电路，虚地点输入阻抗趋近零，迫使传感器产生的电荷Q几乎全部转移到反馈电容Cf上，利用运放与电容将被测量的电荷转换成电压。

根据原理计算公式如下：

由公式可得以下结论：

电路中，输出电压是输入电流的积分，电荷被存储在反馈电容Cf上，当运放开环增益足够大时，下限频率足够低时，输出电压正比于输入电荷量，即电荷放大器。

由公式（3）看出，当K>>1时电路输出由Cf决定，而与信号源等效电容CS和传输电缆分布电容Ce无关，这就使得电荷放大器输入端可接较长的电缆而不影响其精确度。由于V0与K无关，运放的线性误差不被引入，所以整个电路线性较好。这也是电荷放大器性能优于高阻抗电压放大器的主要特点。因此，电荷放大器是目前公认较好的冲击测量前置放大器。

用户根据实际需要要求电路具有很低的频率特性，低频端为0.5Hz，因此电路设计的关键之一是设计下限频率，根据公式（2.4），由于电路的频带下限与电路中反馈时间常数有关，低的下限频率要求Rf、Cf尽可能大，考虑电路的温度特性和体积限制，Cf必须采用温飘较小的电容，其必须与传感器匹配；Rf必须选用特高电阻，本电路采用梯形电阻反馈网络，使反馈等效电阻高达2GΩ，满足了电路具有很低的频率特性的要求。

但高阻又与直流设计和电路噪声设计矛盾。由于运放偏流的存在反映到输出直流电压有个漂移，等效电阻很大时，这个漂移也比较大，而且这个漂移随温度、时间变化而变化，必须妥善运放偏流的设计。电路设计时要选择偏流小的运放。第一级输出到第二级之间采用隔直电容，但隔直电容将带来另一个问题――影响低频特性。电路中D/A转换放大电路部分的最大增益很大，即使mV级的运放偏流也会导致数伏的直流电压输出，要求输入的直流分量必须很小。所以电路中第二级运放采用同相输入，同相端连接的电阻尽量小，与隔直电容配合，形成合适的低频响应，同时也能兼顾直流偏移较小。

电路的频带上限则主要与电路中使用的运放带宽、压摆率有关。综合考虑以上因素，本电路选用频带较宽压摆率较高的运放，并妥善地选择合适的电阻电容值，使电路的带宽较宽0.1Hz～100kHz，很好地满足了用户对电路带宽和各种参数的要求。

1.1.2等效高阻反馈网络的原理与设计

以往电荷放大器的制作过程中，高阻的选择和制备一直是困扰设计和制作工艺的一个主要问题，受体积的限制，高阻最大能做到100MΩ左右，但一致性不好，成本很高。本电路把自动控制中常见的梯形电阻分压分流网络运用于电荷放大器反馈电路中（如图3），使反馈等效电阻高达2GΩ，而实际电路元件并不是阻值很高的电阻器，因此选用比较灵活。实际电路的等效值与理论设计值十分接近，提高了电路的一致性。比以往的电荷放大器频率指标提高了一个数量级。

1.2数控增益的实现

电路中数控增益电路的设计采用D/A转换器电路接成数控增益放大器，其原理图如图3所示，实际使用了其内部的分压分流受控的网络。

数控端通过调节反馈回路电流控制增益。由此可得增益大小为

用高精度D/A转换器来实现数控增益与其他方式实现数控增益（例如用模拟开关和电阻网络）具有精度高、可靠性好的特点，方便计算机控制。但只限于二进制码控制，有一定局限性，而且由于D为自然数，控制增益变化不是线性的（即增益值是离散的）。

推而广之，本电路略进行变换，也可接成12位的精密数控衰减器的形式，数控端控制运放输入电流从而控制增益。如下图5，则衰减倍数为

如果再把数控放大器和数控衰减器配合，将能弥补增益量的离散性，增益为

另外，本电路设计时要选择线性较好的器件，且尽量用高增益的运放来弥补信号通过阻容时的失真和线性变坏，使实测非线性度≤0.06%，失真度≤0.03%。

2 结论

数控增益电荷放大器使用数控的方式控制电荷放大器的增益完全适合计算机控制，而且数控范围较宽，电路的的低频特性带达到0.1Hz以下，较以往产品指标提高了一个数量级。是一种适合高灵敏度传感器和计算机控制的匹配放大器电路。

参考文献：

[1] 吴建平，李建强.数字程控放大器的设计与应用[J].成都理工学院学报，2002（6）.

[2] 李建新，刘栓江.n级梯形电阻网络的研究[J].大学物理，2003（7）.

[3] 马胜前.精细数控放大器的设计[J].西北师范大学学报：自然科学版，2004（3）.