電荷放大器原理

　　導讀：眾所周知，放大器是一種對各參量進行放大的儀器，因此電荷放大器字面就可理解為放大電荷的儀器。究竟電荷放大器是不是和字面意思一致呢?它又是如何完成其特定功能的呢?接下來我們就一起來了解一哈吧～

一、電荷放大器原理- -簡介

　　電荷放大器，如同其字面意思一樣，是一種對電荷進行放大的器件，主要由電荷變換級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放和電源等幾大部分構成。下面我們就來詳細講述這幾大部分在放大電荷的過程中分別完成的是什么功能?扮演的是什么角色?

二、電荷放大器原理- -結構

　　電荷放大器主要由電荷變換級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放和電源這幾大部分構成，其各部分所完成的功能如下：

　　電荷變換級，電荷放大器的第一部分，其輸入的是高阻抗低噪聲信號，運用的是低漂移寬帶精密運算放大器。其反饋電容Cf1具有101pF、102pF、103pF、104pF四個檔位，反饋到輸入端后的有效電容可通過公式C =(1+K)Cf1計算得出(其中，K為開環增益，常取106倍)。

　　低通濾波器，電荷放大器的第二部分，一般情況下使用的是二階巴特沃斯有源濾波器，其具有通帶平坦、結構簡單、操作方便等特點，且對高頻干擾信號的消除具有較高的可靠性。

　　高通濾波器，電荷放大器的第三部分，一般情況下使用的是二階無源高通濾波器，可對低頻干擾信號進行有效的濾除。

　　末級功放，電荷放大器的第四部分，主要用于完成對有用信號的放大。

　　電源，不是電荷放大器串聯流程中的一部分，但卻是其工作所不可缺失的，主要用于為電荷放大器提供能量。其將220V電壓經降壓、整流、濾波、穩壓等幾個環節后得到電荷放大器工作所需的15V電壓。

三、電荷放大器原理

　　電荷放大器的原理圖如下所示，其中，Q為壓電晶體在外力作用下產生的電荷，Ca為傳感器的級間電容，Cc為傳感器的傳輸電纜的電容，Gc為輸入電纜的漏電導，Ci為電荷放大器的輸入電容，Gi為電荷放大器的輸入電導，Cf為電荷放大器的反饋電容，Gf為電荷放大器的反饋電導，Ud為運算放大器反向端產生的差動電壓，U0為電荷放大器的輸出電壓。

　　因此根據該原理圖可得：

　　Qa=Ud×Ca(Qa是電容Ca中存在的電荷);

　　Qc=Ud×Cc(Qc是電容Cc中存在的電荷);

　　Qi=Ud×Ci(Qi是電容Ci中存在的電荷);

　　U0=-Ud×A(A為該運算放大器的開環系數)

　　=>Ucf=Ud-U0=Ud(A+1)(Ucf為電容Cf兩端的電壓)

　　=>Qf=Ucf×Cf=Ud×(A+1)Cf(Qf是電容Cf中存在的電荷);

　　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);

　　忽略數量級較小的參量可得U0=-Q/Cf;

　　因此可根據傳感器的量程、電荷靈敏度、反饋電容大小來計算最大的輸出電壓。

　　四、電荷放大器原理- -應用

　　電荷放大器常用作存儲測試系統中，單獨作為一個模塊存在，如下圖(存儲測試系統模塊圖)所示。電荷放大器作為該測試流程中的一個串聯環節，一旦其出現問題，對產品的整個測試將無法完成。

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