摘  要： 設備的沖擊和振動信號常用壓電加速度傳感器來獲取。壓電加速度傳感器是高內阻傳感器，僅能輸出微弱的電荷信號，需要使用電荷放大器對電荷進行電荷-電壓轉換，方便后續的放大和處理。本文對電荷放大電路進行研究，進而提出基于AD8601的電荷放大器的設計方法。
關鍵詞： 壓電加速度傳感器；電荷放大器；AD8601

　壓電加速度傳感器輸出的電荷量很小，不能用一般的測量電路測量。一般的測量電路輸入阻抗較低，而壓電加速度計內阻很高[1]，為了阻抗匹配，要求后續測量電路輸入阻抗也要很高。如果阻抗不匹配，會導致傳感器上的電荷經過測量電路之后會泄露掉，造成測量誤差。因此，需要設計電荷放大器，方便一般的信號處理電路來處理壓電加速度傳感器采集到的信號。電荷放大器是用于將電荷轉換成電壓的運算放大電路，從而變化的電纜分布電容不會影響電荷的測量結果[2]。因此設計性能良好的電荷放大器在測量系統中具有重要的意義。
1 電荷放大器設計存在的技術難點[3]
　電荷放大器設計存在的技術難點主要有三個方面：傳感器方面、運算放大器方面、反饋電容的選取方面。
傳感器部分主要有：（1）輸出信號較小。（2）傳感器的頻率范圍很大。現在精度高的傳感器低頻可以做到0.000 01 Hz，接近直流，高頻可以到達1.2 kHz，對運放的響應頻率要求很高。同時低頻時，輸出的信號幅度較小，信號很微弱。
　運算放大器方面：電荷放大器的反饋電阻非常大，通常在150 M?贅以上。因而對運算放大器的要求是具有很低的偏置電流和很高的輸入阻抗。如果要制作頻帶響應非常好的電荷放大器，反饋電阻通常在1 G?贅以上，即使是納安級別的偏置電流也會產生數伏以上的偏壓。
反饋電容Cf的選取方面：電荷放大器是一個深度負反饋的高增益放大器。要求反饋電容具有時間和溫度穩定性好等高性能。
2 電荷放大器原理簡介
　壓電加速度傳感器與電荷放大器的連接示意圖如圖1[4]：



3 電荷放大器設計
3.1 選擇元件
3.1.1 選擇運放
　經過前文的討論，制作一個高質量的電荷放大器是相當困難的事情，首先要選取合適的芯片。壓電加速度的特性要求電荷放大器輸入電阻應該無窮大，偏置電流無窮小。傳感器輸出的電荷信號比較微弱，需要運放具有寬頻段，增益足夠大。本設計在經過多方綜合考慮之后，選擇ADI公司的AD8601芯片來設計電荷放大器。AD8601具有低偏置電流，低偏置電壓，具有8 MHz的帶寬，具有高增益特性[5]。符合設計所需參數要求。
3.1.2 反饋電容的選擇
　由式子可知，電荷放大器中輸出電壓只與反饋電容Cf有關，Cf決定了電荷轉電壓輸出的大小以及電荷放大器的頻率響應特性。電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩定。本設計要求電容具有大的泄露電阻、吸附效應小、穩定性高等高性能。經過綜合考慮，選擇聚苯乙烯電容做反饋電容。同時，對于電荷放大器，電纜線要盡可能短，反饋電容盡可能大，減少干擾。本設計選用1 000 pF的電容值的電容。

　AI為傳感器電纜輸入的SMA接口，R30電阻用來消除在電纜傳輸中帶入的噪聲干擾。BAV199是穩壓保護電路，防止電路電壓一時過高，對放大器有影響。BAV199可以將電路工作電壓限制在-2.6 V到2.6 V之間。R22與C181為反饋電阻及反饋電容。電路實現了電荷放大功能，完成了預期要求。
　本文從電荷放大器的基本原理出發，分析了電荷放大器的原理，以及設計過程中應該注意的事項，設計出一個應用于電機狀態檢測系統的電荷放大器。
參考文獻
[1] 查萬紀.壓電加速度傳感器測量電路的研究與設計[D].安徽：安徽大學，2005.
[2] 王昊.集成運放應用電路設計360例[M].北京：高等教育出版社，2002.
[3] 謝靜.新型電荷放大器設計[D].陜西：西安理工大學，2008.
[4] 徐賽秋，楊新堯.振動測量系統中雙積分電荷放大器的設計與應用[J].實驗室研究與探索，1994（4）：75-82.
[5] ADI.AD8601數據手冊.2000.
[6] 魏東，張志杰，裴東興.電荷放大器可靠性分析[J].中國測試技術，2007，33（1）.