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电荷放大器是怎么工作的?原理竟是这样的!

返回列表发布时间:2019/07/30

一、电荷放大器原理- -简介
电荷放大器,如同其字面意思一样,是一种对电荷进行放大的器件,主要由电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源等几大部分构成。下面我们就来详细讲述这几大部分在放大电荷的过程中分别完成的是什么功能?扮演的是什么角色?
电荷放大器是怎么工作的?原理竟是这样的!
二、电荷放大器原理- -结构
电荷放大器主要由电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源这几大部分构成,其各部分所完成的功能如下:
电荷变换级,电荷放大器的第一部分,其输入的是高阻抗低噪声信号,运用的是低漂移宽带精密运算放大器。其反馈电容Cf1具有101pF、102pF、103pF、104pF四个档位,反馈到输入端后的有效电容可通过公式C =(1+K)Cf1计算得出(其中,K为开环增益,常取106倍)。
低通滤波器,电荷放大器的第二部分,一般情况下使用的是二阶巴特沃斯有源滤波器,其具有通带平坦、结构简单、操作方便等特点,且对高频干扰信号的消除具有较高的可靠性。
高通滤波器,电荷放大器的第三部分,一般情况下使用的是二阶无源高通滤波器,可对低频干扰信号进行有效的滤除。
末级功放,电荷放大器的第四部分,主要用于完成对有用信号的放大。
电源,不是电荷放大器串联流程中的一部分,但却是其工作所不可缺失的,主要用于为电荷放大器提供能量。其将220V电压经降压、整流、滤波、稳压等几个环节后得到电荷放大器工作所需的15V电压。
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三、电荷放大器原理
电荷放大器的原理图如下所示,其中,Q为压电晶体在外力作用下产生的电荷,Ca为传感器的级间电容,Cc为传感器的传输电缆的电容,Gc为输入电缆的漏电导,Ci为电荷放大器的输入电容,Gi为电荷放大器的输入电导,Cf为电荷放大器的反馈电容,Gf为电荷放大器的反馈电导,Ud为运算放大器反向端产生的差动电压,U0为电荷放大器的输出电压。
因此根据该原理图可得:
Qa=Ud×Ca(Qa是电容Ca中存在的电荷);
Qc=Ud×Cc(Qc是电容Cc中存在的电荷);
Qi=Ud×Ci(Qi是电容Ci中存在的电荷);
U0=-Ud×A(A为该运算放大器的开环系数)
=>Ucf=Ud-U0=Ud(A+1)(Ucf为电容Cf两端的电压)
=>Qf=Ucf×Cf=Ud×(A+1)Cf(Qf是电容Cf中存在的电荷);
Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)
=>Ud=Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)
=>U0=-Ud×A=-A*Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf);
忽略数量级较小的参量可得U0=-Q/Cf;
因此可根据传感器的量程、电荷灵敏度、反馈电容大小来计算最大的输出电压。
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四、电荷放大器原理- -应用
电荷放大器常用作存储测试系统中,单独作为一个模块存在,如下图(存储测试系统模块图)所示。电荷放大器作为该测试流程中的一个串联环节,一旦其出现问题,对产品的整个测试将无法完成。
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