[发明专利]一种宽频带电荷放大器及其设计方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种电荷放大器及其设计方法，特别是一种低频特性良好的宽频带电荷放大器，属于设备故障诊断技术的信号检测技术范畴，主要用于处理以压电陶瓷等为敏感器件的传感器所产生的电荷信号，解决低频电荷信号检测的技术问题。

背景技术

现有技术已有用于检测中频和高频压电信号的电荷放大器，也有用于检测低频压电信号的电荷放大器，其典型方式是用运算放大器组成的并联电压放大器式积分器构成如附图1的电路，实际技术内容是“电荷电压转换器”，其高频特性仅取决于运算放大器的高频特性而没有技术难点。

在附图1中，OP₁运放的正输入端接参考点G，负输入端便成为积分器的虚地Q+。由于运算放大器的增益非常高，该虚地Q+相对于参考点G的电压信号V_FQ接近于零；因此，电压源V_G1的电压全部加在电容器C₀上，亦即C₀上的电荷Q＝V_G1/C₀，V_G1与C₀构成一个电荷源Q；该电荷源以有限的电流对运放负输入端输入信号，由于运放输入阻抗极高，几乎不消耗电流，于是全部电流流经C₁、R₁的并联支路，流到运放OP₁的输出端，则运放输出端的电压V_F1是：

V_F1＝-V_G1/X_C0*(R₁//X_C1)

在中频以上，由于R₁＞＞X_C1，所以上式简化为：

V_F1＝-V_G1*C₀/C₁

由于V₀＝C₁＝1n，所以该公知电荷放大器的中、高频传输特性是：

K＝20log(V_F1/V_G1)＝0[dB]

问题在于：当频率低达f0＝7.98Hz时，该公知电荷放大器的传输特性(如附图2所示)，下降为-3.01dB，该频率f0称为“转折频率”，当频率低达0.01Hz时，传输特性下降到-58dB。不能满足低频电荷信号的检测要求。这是由于低频时，电容器C₁的容抗X_C1上升，当频率下降到转折频率f0＝7.98Hz时，C₁的容抗上升到接近于R₁＝20M：

X_C1＝1/(2πf0C₁)＝1/(2π*7.98*10^-9)＝19.9442MΩ

R₁、C₁的并联阻抗X＝(R₁^-2+X_C1^-2)^-0.5＝14.14MΩ

而X_C0＝19.9442MΩ

所以，此时的传输增益是：G＝X/X_C0＝0.707，

传输系数是：K＝20log G＝-3.01dB。

上述分析的结论是：问题的关键在于反馈电阻R₁限制了电荷放大器的低频特性。因此，已有的低频电荷放大器采取以下两种技术措施解决上述问题：

措施之一，是尽量增大电容器C₁，在电阻R₁不变时，电容器C₁增大N倍，则电荷放大器的低频转折频率就下降N倍，但由此会引起电荷放大器的转换灵敏度也下降N倍，显然这对于保证灵敏度和降低信噪比极为不利。

措施之二如附图3，是尽量增大电阻器R₁，例如有的电荷放大器将R₁取为1000MΩ，即1GΩ，但由此引起电荷放大器的工作点极不稳定，以致早期有的电荷放大器增加了“复位按钮”SW1，要求使用者经常通过此按钮对R₁短路或并联小电阻R₂，以便恢复工作状态。这种方式显然不能用于要求无人操作的在线故障诊断。