專利名稱：一種寬頻帶電荷放大器及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電荷放大器及其設(shè)計方法，特別是一種低頻特性良好 的寬頻帶電荷放大器，屬于設(shè)備故障診斷技術(shù)的信號檢測技術(shù)范疇，主要 用于處理以壓電陶瓷等為敏感器件的傳感器所產(chǎn)生的電荷信號，解決低頻 電荷信號檢測的技術(shù)問題。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已有用于檢測中頻和高頻壓電信號的電荷放大器，也有用于 檢測低頻壓電信號的電荷放大器，其典型方式是用運算放木器組成的并聯(lián) 電壓放大器式積分器構(gòu)成如附圖1的電路，實際技術(shù)內(nèi)容是"電荷電壓轉(zhuǎn) 換器"，其高頻特性僅取決于運算放大器的高頻特性而沒有技術(shù)難點。在附圖1中，OP;運放的正輸入端接參考點G，負(fù)輸入端便成為積分器的虛地Q+。由于運算放大器的增益非常高，該虛地Q+相對于參考點G的電壓信號V^接近于零；因此，電壓源V"的電壓全部加在電容器Co上，亦即C。上的電荷Q=VG1/C。， VG1與C0構(gòu)成一個電荷源Q;該電荷源 以有限的電流對運放負(fù)輸入端輸入信號，由于運放輸入阻抗極高，幾乎不 消耗電流，于是全部電流流經(jīng)C1、 R1的并聯(lián)支路，流到運放OP/的輸出 端，則運放輸出端的電壓Vw是<formula>formula see original document page 5</formula>在中頻以上，由于R^〉Xa,所以上式簡化為-由于C^C產(chǎn)7"，所以該公知電荷放大器的中、高頻傳輸特性是-iC=20/o G"=0卿問題在于當(dāng)頻率低達(dá)y0^7.98Hz時，該公知電荷放大器的傳輸特性 (如附圖2所示)，下降為-3.01dB，該頻率/0稱為"轉(zhuǎn)折頻率"，當(dāng)頻率低 達(dá)0.01Hz時，傳輸特性下降到-58dB。不能滿足低頻電荷信號的檢測要求。 這是由于低頻時，電容器G的容抗Xa上升，當(dāng)頻率下降到轉(zhuǎn)折頻率 / K7.98Hz時，C7的容抗上升到接近于R產(chǎn)20M: ^c尸〃(27r/0Q戶〃(27r承7.9《"a,-m何"MQR;、 C;的并聯(lián)阻抗X^ -"5=""MQ所以，此時的傳輸增益是G=^ZYC0=0.707， 傳輸系數(shù)是尺^0/ogG二丄07必。上述分析的結(jié)論是問題的關(guān)鍵在于反饋電阻R;限制了電荷放大器 的低頻特性。因此，已有的低頻電荷放大器采取以下兩種技術(shù)措施解決上 述問題措施之一，是盡量增大電容器C"在電阻R;不變時，電容器C;增大 N倍，則電荷放大器的低頻轉(zhuǎn)折頻率就下降N倍，但由此會引起電荷放 大器的轉(zhuǎn)換靈敏度也下降N倍，顯然這對于保證靈敏度和降低信噪比極 為不利。措施之二如附圖3，是盡量增大電阻器R;，例如有的電荷放大器將&取為1000MQ， g卩1GQ，但由此引起電荷放大器的工作點極不穩(wěn)定， 以致早期有的電荷放大器增加了"復(fù)位按鈕"SW1，要求使用者經(jīng)常通過此 按鈕對R,短路或并聯(lián)小電阻R2，以便恢復(fù)工作狀態(tài)。這種方式顯然不能 用于要求無人操作的在線故障診斷。附圖2、 3-1、 3-2描述了公知電荷放大器電路使用大反饋電阻R/獲取 低頻特性存在的問題。雖然現(xiàn)代高性能的運放可以在R尸1GQ的條件下也 保障電荷放大器的工作點正常，但是，高達(dá)1GQ的電阻器件在工程現(xiàn)場 的檢測電路中幾乎沒有意義，因為安裝該器件的電路板受到環(huán)境濕度、塵 埃的影響，以致其絕緣電阻時常降低到10MQ數(shù)量級。為了保障絕緣， 某些產(chǎn)品不惜把與Q+端相關(guān)的若干器件的引腳全部焊接到安裝在電路板 上的瓷座上面懸浮起來。因此，研制適于工程現(xiàn)場應(yīng)用的、簡單的、低成 本的低頻特性良好的電荷放大器，以便實現(xiàn)真正的寬頻帶電荷放大器便成 為一個長期困擾工程實踐的難題。發(fā)明內(nèi)容.-本發(fā)明是以如下方式實現(xiàn)的。一種寬頻帶電荷放大器，含有運放OP;、電阻器R"、 R/2、 R3，電容 器C" C2，運放OP;的正電源端接正電源Vdd，運放的負(fù)電源端接負(fù)電 源Vss，運放的正輸入端接電源地GND亦即參考端G，壓電陶瓷等輸出 的電荷信號的正端接運放的負(fù)輸入端Q+，電荷信號的負(fù)端接參考端G， 電容器C/跨接在運放OP7的負(fù)輸入端和輸出端之間，其特征在于將經(jīng) 典電荷放大器跨接在運放OP;負(fù)輸入端與輸出端之間的反饋電阻器R/分 為兩個電阻器Rii、 Ri2串聯(lián)構(gòu)成一種反饋旁路式低頻電荷放大器，電阻器Rw的一端接運放OP;的負(fù)輸入端，另一端接電阻R"的一端，電阻器 R^的另一端接運放OP7的輸出端，從電阻器Rw、 R/2的連接點接入由電阻器Rj、電容器C2構(gòu)成的反饋旁路支路的電容器C2的一端，電容器C2的另一端接電阻器Rj的一端，電阻器Rj的另一端接參考端G，從運放 Oh的輸出端經(jīng)過端子Vo輸出對輸入電荷轉(zhuǎn)換得到的電壓信號。所述的反饋旁路式低頻電荷放大器技術(shù)的設(shè)計方法是在既有的由電阻R;;+Ru、電容器C;組成的反饋電路中增加由電阻器R,電容器C2組成 的旁路，以達(dá)到將原有電路的-3dB低頻響應(yīng)頻率/0降低到的目 的，在已知電容器C;、電阻器(Rw=R/2=R)的條件下，電容器C"電阻 器Rj和優(yōu)化系數(shù)X的函數(shù)關(guān)系由下列聯(lián)立方程[A]、 [B]確定， i 3=0.5*/5*i /rx-"----------〃7c2=潔c禹 --------------推導(dǎo)如下建立有關(guān)^的方程式，.K是Q+端的微小電壓，根據(jù)克希霍夫定理， 流入節(jié)點Vf的總電流等于零，于是有ovrF;>/^2= avw/i 〃+F//----------,〃由于及;尸/ 72=7 ，所以有對上式兩邊乘以R，得到r，化+/々2,2_)整理為Kf/"2+i / f7^+7々'27t/CP 7=^0+^7，所以有^+，7t/C^ 7----------在沒有C2Rj支路時的轉(zhuǎn)折頻率/0,是在2/ =及;/+^2=7/ O種C卩時的頻率/^+^=2及對于C,并聯(lián)的視在阻抗是2R，其特征是發(fā)生的反饋電流為在增加C2R3支路后，發(fā)生的反饋電流是 將[2]式代入上式由于在低頻時運算放大器有最高的開環(huán)增益，V趨近于0，則有/7=m/2+庫一 wc，；則Rii的視在阻抗是a=/2+ i /(^+7巾;r/cv75^ i 尸2R+Z 2/化+爭/C^----------由于/0^/^rCV/2i ，即與反饋視在電阻2R成反比；因此，如需將fo 降低到/e/Z，(定義域X〉1，)則應(yīng)保障R"的視在阻抗R/為(R"+R/^2R 的X倍據(jù)此得到將力下降到/7=/0/1的方程0，(X-"=i 3+/々'27T//C2----------/￥_/由于在新的轉(zhuǎn)折頻率/7時，還有a= 』=|"----------,5/所以[4]式化為a5i /(X-"= |i^+"'27ry}C2|= |及3+7|=^/+力-。5=7 //5，解得R;的設(shè)計公式及3=0.，&-7尸/5----------,6力艮口 W一.5i /fX畫7」"05----------/"W因為/0=〃^rCV/^=〃^r7 CV,則有/7=yO/X=〃~7rJO CV---------/7_/將[7]式代入[5]式并移項CW 7 //"械承,虛CW簡化得到C2的設(shè)計公式c2=選c禹--------艮卩c2=還c禹--------------它是一種含有運放OP;、 OP2，電阻器R廣Rj、 R77、 R/2，電容器C廣Cj 的單電源單端輸入寬頻帶電荷放大器(見附圖7);其中各運放的正電源 端接正電源端子vdd，運放的負(fù)電源端接地線GND，電阻器R;的一端接 地，另一端接運放OP2的正輸入端和電阻器R2的一端以及電容器C3的一 端，電容器C3的另一端接地GND，電阻器R2的另一端接正電源端子Vdd，運放OP2的輸出端接其負(fù)輸入端，并輸出等于電源電壓之一部分的電平作為參考端G;運放OP,的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接到電荷信號輸 入端Q+，電荷信號的另一端接到參考端G;運放O巧的負(fù)輸入端還接到 反饋電容器C7的一端，反饋電容器C7的另一端接到運放OP7的輸出端， 運放OP7的負(fù)輸入端還接到電阻器的一端，電阻器的另一端接電 阻器R;2的一端和電容器C2的一端，電阻器R/2的另一端接運放OP7的輸 出端，電容器C2的另一端接電阻器Rj的一端，電阻器Rj的另一端接參考端G;電荷信號源的電荷從Q+和參考端G輸入，所變換得到的電壓信 號從運放OP;的輸出端經(jīng)過Vo端子輸出。它是一種差分輸入寬頻帶電荷放大器(見附圖8)，該差分輸入寬頻 帶電荷放大器設(shè)有電荷信號源的輸入端Q+、 Q-和參考端G，設(shè)有對Q+ 信號進行電荷電壓變換的正電荷變換器和對Q-信號進行電荷電壓變換的 負(fù)電荷變換器；正電荷變換器含有運放OP;、電阻器R〃、 R72，反饋電容 器Cw;運放OP,的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接正電荷輸入端Q+， 還接到電阻器Rw的一端，電阻器R,/的另一端接電阻器Ru的一端，電阻 器Ru的另一端接運放OP;的輸出端；負(fù)電荷變換器含有運放OP2、電阻 器R^、 R"，反饋電容器C^;運放OP2的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入 端接負(fù)電荷輸入端Q-，還接到電阻器R^的一端，電阻器R^的另一端接電阻器Rw的一端，電阻器R22的另一端接運放OP2的輸出端；此外，還 含有對于運放OP;、 OP2變換輸出的差分電壓求和的疊加電路，該疊加電路含有運放OP3、電阻器R廣R^;其中電阻器R尸R2和R4=R5，電阻器 R;的一端接到運放OP/的輸出端，另一端接到運放OP,的正輸入端和電 阻器&的一端，電阻器R2的另一端接參考端G;電阻器&的一端接運放OP2的輸出端，另一端接運放OPj的負(fù)輸入端，還接到電阻器Rj的一 端，電阻器R5的另一端接到運放OPj的輸出端，從運放OP3的輸出端經(jīng)過端子OUT輸出差分電荷變換信號。所述差分輸入寬頻帶電荷放大器的電阻器R^=RW=R"=R22， CW=Q2， 在R/7與R;2的連接點接有電阻R3的一端，R3的另一端接電容C2的一端， C2的另一端接到R27、 R22的連接點組成提升低頻特性的差分旁路支路； 設(shè)及7尸/ /2=及2尸/ 22=/ , C77=C;2=C7，無差分旁路的差分電荷放大器的低 頻轉(zhuǎn)折頻率是/G=7/~;r/ CV，則通過差分旁路提升低頻特性X倍，得到//=/0/義的旁路參數(shù)設(shè)計公式是7 3=/^Z-"*/J----------/t7c2=遼c禹-----------仰根據(jù)以上技術(shù)方案提出的這種寬頻帶電荷放大器及其設(shè)計方法，是一 種適于工程現(xiàn)場應(yīng)用的、簡單的、低成本的低頻特性良好的電荷放大器， 實現(xiàn)了真正的寬頻帶電荷放大器，解決了實際應(yīng)用中的一個難題。


附圖1為公知電荷放大器電路圖；附圖2為公知電荷放大器的頻率特性示意圖；附圖3-1為公知電荷放大器電路示意圖；附圖3-2使用大反饋電阻獲取低頻特性存在問題的示意圖；附圖4-1為反饋旁路式低頻單端電荷放大器電路圖；附圖4-2及其頻率特性示意圖；附圖5-1為反饋旁路式低頻單端電荷放大器電路圖； 附圖5-2為反饋旁路式低頻單端電荷放大器頻率特性示意圖； 附圖6-1為沒有反饋旁路的低頻單端電荷放大器電路圖； 附圖6-2及其頻率特性示意圖；附圖7為單電源單端輸入寬頻帶電荷放大器的電路圖； 附圖8為一種差分輸入寬頻帶電荷放大器電路圖； 附圖9-1為沒有差分旁路的差分電荷放大器電路圖；附圖9-2為沒有差分旁路的差分電荷放大器低頻特性示意圖；附圖10-1為有相應(yīng)反饋旁路的單端電荷放大器電路圖；附圖10-2為有相應(yīng)反饋旁路的單端電荷放大器低頻特性示意圖；附圖11-1為有差分旁路的差分電荷放大器電路圖；附圖11-2為有差分旁路的差分電荷放大器低頻特性示意圖。
具體實施例方式分析圖1所示的公知電路可知由于電荷放大器的輸入端虛地Q+對于參考端G之間的交流電位差接近于零，因此電荷信號源的體電阻Ro、 體電容C。、傳輸線的分布電容Cc對于電荷放大器的靈敏度和頻率響應(yīng)影 響十分微小，唯有穩(wěn)定電荷放大器工作狀態(tài)的反饋電阻R;因為與關(guān)鍵的、 決定電荷放大器靈敏度的反饋電容C7并聯(lián)而嚴(yán)重影響低頻特性。因此，在本發(fā)明的技術(shù)方案中始終圍繞反饋電阻R/進行思考，下面 結(jié)合實施例作進一步說明。實施例1，反饋旁路式低頻單端電荷放大器本發(fā)明提出的反饋旁路式低頻電荷放大器技術(shù)的原理，是通過電容器 串聯(lián)電阻C2+R3支路把電阻器R/7與電阻器R/2的連接點VF的交流電位拉 向參考點G的電位而又不附加可觀的相移，造成電阻器R^形同從運放 OP;的負(fù)輸入端交流接地的效果，以達(dá)到充分減少對于運放負(fù)輸入端的、 來自運放OP;輸出端的、除了 C;之外的交流負(fù)反饋，從而提升低頻頻率 響應(yīng)。這種寬頻帶電荷放大器(見附圖4-l、 4-2)，含有運放OP;、電阻器R/2、 R3，電容器Q、 C2，運放OP;的正電源端接正電源VDD，運放的負(fù)電源端接負(fù)電源Vss，運放的正輸入端接電源地GND亦即參考端G， 壓電陶瓷等輸出的電荷信號的正端接運放的負(fù)輸入端Q+，電荷信號的負(fù)端接參考端G，電容器C;跨接在運放0P7的負(fù)輸入端和輸出端之間，其 特征在于將經(jīng)典電荷放大器跨接在運放OP7負(fù)輸入端與輸出端之間的反饋電阻器R7分為兩個電阻器Rii、 Ri2串聯(lián)構(gòu)成一種反饋旁路式低頻電荷放大器，電阻器Rw的一端接運放OP;的負(fù)輸入端，另一端接電阻Ru的 一端，電阻器R;2的另一端接運放OP/的輸出端，從電阻器Rw、 R"的連 接點接入由電阻器R3、電容器C2構(gòu)成的反饋旁路支路的電容器C2的一端，電容器C2的另一端接電阻器Rj的一端，電阻器R3的另一端接參 考端G，從運放OP7的輸出端經(jīng)過端子Vo輸出對輸入電荷轉(zhuǎn)換得到的電壓信號。本發(fā)明的設(shè)計方法，是在既有的由電阻器Rw+R"、電容器C7組成的 反饋電路中增加由Rj+C2組成的旁路，達(dá)到將原有電路的-3dB低頻響應(yīng) 頻率/0降低到力=/&/%的目的。有關(guān)電容器C"當(dāng)電阻器Rw=R/2=R時、 C2、 R3和優(yōu)化系數(shù)X的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)如下建立有關(guān)Vy的方程式。V,是Q+端的微小電壓。根據(jù)克?；舴蚨ɡ恚?流入節(jié)點Vf的總電流等于零，于是有(To畫^r; /R;2= 0^/9 /及"+fV化+7々.27r/CV----------/7/移項&// 〃+1^/^2+ F// "3+/々'27r/C2y>由于/^=/ 72=/ ，所以有對上式兩邊乘以R，得到<formula>formula see original document page 15</formula>在沒有C2化支路時的轉(zhuǎn)折頻率力，是在2/ =/^+及;2=〃 O兀/0C》時 的頻率-i^+A2=2R對于G并聯(lián)的視在阻抗是W。其特征是發(fā)生的反饋電流為在增加C2Rj支路后，發(fā)生的反饋電流是 將[2]式代入上式= W2+乖+7何Q^，o+n)+r。,由于在低頻時運算放大器有最高的開環(huán)增益，V,趨近于0，則有 /7=琴3+7何CW ，<formula>formula see original document page 15</formula>由于yO^/(27rC"/2i ，即與反饋視在電阻器2R成反比。因此，如需 將力降低到<formula>formula see original document page 15</formula>，(定義域X>1，)則應(yīng)保障電阻器R/;的視在阻抗R7為據(jù)此得到將yo下降到//=/0/1的方程0. W(X-7」=/ 3+y々27r/7C2----------由于在新的轉(zhuǎn)折頻率/)時，還有剩攀/7C----------,5/所以[4]式化為<formula>formula see original document page 16</formula>，解得R3的 設(shè)計公式<formula>formula see original document page 16</formula>因為yO=〃(27rCV/2i =〃~;ri CV，則有<formula>formula see original document page 16</formula>將[7]式代入[5]式并移項<formula>formula see original document page 16</formula>，簡化得到C2的設(shè)計公式c2=雄c禹--------仿真驗算如下設(shè)原始參數(shù)R=9.1M， C尸ln，則有原始電路的轉(zhuǎn)折頻率希望目標(biāo)值/7=0.25Hz，則X:fo/fi-35，設(shè)計的頻率/^yO/X-ft^/卵5/Zz 根據(jù)[6]式，計算得到/ 3=0.5/ /^-"*20.5=7卵.25義 根據(jù)[8]，計算得到C2=Z\7 C7// 3="15*9./M*/"/7^.25^=3.3(15S"F將計算的旁路參數(shù)納入附圖5-l、電路進行仿真分析；去掉旁路參數(shù) 的原始電路仿真見附圖6-l、 6-2。上述仿真試驗的結(jié)果表明力的理論值是yC^&7"S/fe，"測量值是8.77Hz，誤差是由仿真軟 件的頻率測量分辨率誤差引起的；//理論值是力=/005=0.24卵5//2，力測量值是0.2605Hz，相對于目標(biāo) 值0.25Hz的絕對誤差0.0105Hz。實施例2是一種單電源單端輸入寬頻帶電荷放大器如附圖7所示的一種單電源單端輸入寬頻帶電荷放大器，用于只有 單一電源供電的場合，其特征是含有運放OP" OP2，電阻器R廣Rj、 R/7、 R"，電容器C廣C3，各運放的正電源端接正電源端子V皿，運放的負(fù)電源 端接地線GND，電阻器R7的一端接地，另一端接運放OP2的正輸入端和 電阻器R2的一端以及電容器C3的一端，電容器C3的另一端接地GND， 電阻器R2的另一端接正電源端子V皿，運放OP2的輸出端接其負(fù)輸入端， 并輸出等于電源電壓之一部分的電平作為參考端G;運放OP7的正輸入端 接參考端G，負(fù)輸入端接到電荷信號輸入端Q+，電荷信號的另一端接到參考端G;運放OP7的負(fù)輸入端還接到反饋電容器C/的一端，電容器C,的另一端接到運放OP;的輸出端，運放OP7的負(fù)輸入端還接到電阻器R/7 的一端，電阻器Rw的另一端接電阻器R"的一端和電容器C2的一端，電 阻器R;2的另一端接運放OP;的輸出端，電容器C2的另一端接電阻器Rj 的一端，Rj的另一端接參考端G;電荷信號源的電荷從Q+和參考端G輸 入，所變換得到的電壓信號從運放OP/的輸出端經(jīng)過Vo端子輸出。由于 采用運放0P2、電阻器R" R2、 Cj組成電源分壓器構(gòu)成參考端G的電平， 從而使運放OP,所構(gòu)成的電荷放大器可以用單一電源工作，處理單端輸入 的電荷信號。電路的參數(shù)電阻器R^、 R/2、電容器G電阻器、Rj、電容 器C2的設(shè)計技術(shù)與發(fā)明內(nèi)容所述相同。實施例3，是一種差分輸入寬頻電荷放大器如附圖8所示的一種差分輸入寬頻帶電荷放大器，目的在于為了提 高抗干擾能力，其特征在于設(shè)有電荷信號源的輸入端Q+、 Q-和參考端G， 設(shè)有對Q+信號進行電荷電壓變換的正電荷變換器和對Q-信號進行電荷 電壓變換的負(fù)電荷變換器；正電荷變換器含有運放OP"電阻器Rw、R;2， 反饋電容器Cw，運放0P;的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接正電荷輸 入端Q+，還接到電阻器R;;的一端，電阻器Rw的另一端接電阻器Ru的 一端，電阻器R;2的另一端接運放OP7的輸出端；負(fù)電荷變換器含有運放 OP2、電阻器R2;、R"，反饋電容器Cw運放OP2的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接負(fù)電荷輸入端Q-，還接到電阻器及"的一端，電阻器R^的另一端接電阻器R22的一端，電阻器R22的另一端接運放OP2的輸出端；還含有對于運放OP" OP2變換輸出的差分電壓求和的疊加電路，該疊加電路含有運放OPj、電阻器R尸R2和R^R" R;的一端接到運放OP7的輸出 端，另一端接到運放OP3的正輸入端和電阻器R2的一端，電阻器&的另 一端接參考端G;電阻器R^的一端接運放OP2的輸出端，另一端接運放 OPj的負(fù)輸入端，還接到電阻器115的一端，電阻器&的另一端接到運放 OP3的輸出端，從運放OP3的輸出端經(jīng)過端子OUT輸出差分電荷變換信 號。其特征還在于，^尸7 72=/ 2尸^2, CW=C72，在電阻器Rw與Ru的連 接點接有電阻器Rj的一端，電阻器Rj的另一端接電容C2的一端，G的 另一端接到電阻器R^、 R22的聯(lián)接點組成提升低頻特性的差分旁路支路， 設(shè)i "=i ;2=i "=/ 22=i , C"=C/2=CV，無差分旁路的差分電荷放大器的低 頻轉(zhuǎn)折頻率是^=7/~;ri CV，則通過差分旁路提升低頻特性X倍，得到 />=/0/1的旁路參數(shù)設(shè)計公式是<formula>formula see original document page 19</formula>與單端電荷放大器的旁路參數(shù)公式[A]、 [B]比較，<formula>formula see original document page 19</formula>相對于單端電荷放大器的旁路電路參數(shù)，差分電荷放大器的旁路支路 Rj增大到2倍，而C2減小到1/2。這是因為差分旁路支路等于兩個單端旁 路的串聯(lián)，則差分旁路電阻等于兩個單端旁路電阻之串聯(lián)和，即等于單端 旁路電阻的2倍；而差分旁路電容等于兩個單端旁路電容的串聯(lián)和，即等于單端旁路電容之半。附圖9-1、 9-2是沒有差分旁路的差分電荷放大器電路圖及其低頻特 性示意圖8.77Hz;附圖10-1、 10-2是有相應(yīng)反饋旁路的單端電荷放大器電路圖及其低 頻特性0.2795Hz;附圖11-1、 11-2是有差分旁路的差分電荷放大器電路圖及其低頻特 性0.279Hz;證明公式[C]、 [D]是正確的。
權(quán)利要求
1、一種寬頻帶電荷放大器，含有運放OP1、電阻器R11、R12、R3，電容器C1、C2，運放OP1的正電源端接正電源VDD，運放的負(fù)電源端接負(fù)電源VSS，運放的正輸入端接電源地GND，壓電陶瓷等輸出的電荷信號的正端接運放的負(fù)輸入端Q+，電荷信號的負(fù)端接參考端G，電容器C1跨接在運放OP1的負(fù)輸入端和輸出端之間，其特征在于將經(jīng)典電荷放大器跨接在運放OP1負(fù)輸入端與輸出端之間的反饋電阻器R1分為兩個電阻器R11、R12串聯(lián)構(gòu)成一種反饋旁路式低頻電荷放大器，電阻器R11的一端接運放OP1的負(fù)輸入端，另一端接電阻R12的一端，R12的另一端接運放OP1的輸出端，從R11、R12的連接點接入由R3、C2構(gòu)成的反饋旁路支路的電容器C2的一端，C2的另一端接電阻器R3的一端，R3的另一端接參考端G，從運放OP1的輸出端經(jīng)過端子VO輸出對輸入電荷轉(zhuǎn)換得到的電壓信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶電荷放大器，其特征在于所 述的反饋旁路式低頻電荷放大器技術(shù)的設(shè)計方法是在既有的由Rw+R"、 C7組成的反饋電路中增加由RrN^組成的旁路，以達(dá)到將原有電路的-3dB 低頻響應(yīng)頻率/ 降低到/7=/0/1的目的，在已知C"當(dāng)R7尸R,fR時的條 件下，C2、 Rj和優(yōu)化系數(shù)X的函數(shù)關(guān)系由下列聯(lián)立方程[A]、 [B]確定<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 根據(jù)權(quán)利要求l和所述的一種寬頻帶電荷放大器，其特征在于 它是一種含有運放OP" 0P2，電阻器R廣Rj、 R;/、 R/2，電容器C; Cj的 單電源單端輸入寬頻帶電荷放大器；其中各運放的正電源端接正電源端子Vdd，運放的負(fù)電源端接地線GND,電阻器R;的一端接地，另一端接運 放OP2的正輸入端和電阻器R2的一端以及電容器C3的一端，C3的另一端 接地GND，電阻器R2的另一端接正電源端子VDD，運放OP2的輸出端接 其負(fù)輸入端，并輸出等于電源電壓之一部分的電平作為參考端G;運放 OP7的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接到電荷信號輸入端Q+，電荷信 號的另一端接到參考端G;運放OP7的負(fù)輸入端還接到反饋電容器q的 一端，反饋電容器C^的另一端接到運放OP7的輸出端，運放OP;的負(fù)輸 入端還接到電阻器Rw的一端，電阻器Rw的另一端接電阻器R72的一端和電容器C2的一端，電阻器Rl2的另一端接運放OPl的輸出端，電容器C2的另一端接電阻器R3的一端，電阻器Rj的另一端接參考端G;電荷信號 源的電荷從Q+和參考端G輸入，所變換得到的電壓信號從運放OP7的輸 出端經(jīng)過Vo端子輸出。
4、根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種寬頻帶電荷放大器，其特征在于 它是一種差分輸入寬頻帶電荷放大器；該差分輸入寬頻帶電荷放大器設(shè)有 電荷信號源的輸入端Q+、 Q-和參考端G，設(shè)有對Q+信號進行電荷電壓 變換的正電荷變換器和對Q-信號進行電荷電壓變換的負(fù)電荷變換器；正 電荷變換器含有運放OP"電阻器R7/、 R/2，反饋電容器運放OP; 的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接正電荷輸入端Q+，還接到電阻器R^ 的一端，電阻器R"的另一端接電阻器Ru的一端，電阻器R"的另一端 接運放OP;的輸出端；負(fù)電荷變換器含有運放OP2、電阻器R^、 R22，反 饋電容器Cw運放OP2的正輸入端接參考端G，負(fù)輸入端接負(fù)電荷輸入 端Q-，還接到電阻器R^的一端，電阻器R^的另一端接電阻器R"的一 端，電阻器R22的另一端接運放OP2的輸出端；此外，還含有對于運放OP;、OP2變換輸出的差分電壓求和的疊加電路，該疊加電路含有運放OPj、電阻器R廣R^;其中電阻器R尸R2和R^R5，電阻器R;的一端接到運放OP7的輸出端，另一端接到運放OPj的正輸入端和電阻器R2的一端，電 阻器R2的另一端接參考端G;電阻器R^的一端接運放OP2的輸出端，另一端接運放OPj的負(fù)輸入端，還接到電阻器&的一端，電阻器&的另一 端接到運放OP3的輸出端，從運放OP3的輸出端經(jīng)過端子OUT輸出差分 電荷變換信號。
5、根據(jù)權(quán)利要求1和4所述的一種寬頻帶電荷放大器，其特征在于 差分輸入寬頻帶電荷放大器的電阻器Rw=R^=R^=R22， Cw=C72，在R/; 與Ru的連接點接有電阻R3的一端，R3的另一端接電容C2的一端，G的 另一端接到R^、 R"的連接點組成提升低頻特性的差分旁路支路；設(shè) R"=R/2=R,R22=R， Cw=C72=C;，無差分旁路的差分電荷放大器的低頻轉(zhuǎn) 折頻率是fo=l/(47rRC》，則通過差分旁路提升低頻特性X倍，得到fFfo/X 的旁路參數(shù)設(shè)計公式是-<formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
一種寬頻帶電荷放大器，用于電荷電壓變換，其特征是在公知的電荷放大器電路中，把跨接在運算放大器負(fù)輸入端與輸出端之間的反饋電阻分成R₁₁、R₁₂串聯(lián)電路，從R₁₁、R₁₂的接點對參考端G接入反饋旁路支路，該反饋旁路支路由R₃與C₂串聯(lián)組成，當(dāng)R11＝R12＝R時，接入的反饋旁路支路能夠使無該旁路支路時的電荷放大器輸出端V_O的轉(zhuǎn)折頻率f0下降到f1＝f0/X，提出的以低阻值電阻設(shè)計甚低頻電荷放大器的技術(shù)原理的設(shè)計公式是R₃＝0.5R/(X-1)*2^0.5，C₂＝2XRC₁/R₃從而優(yōu)化了公知的僅適于中高頻的電荷放大器的低頻特性，實現(xiàn)了寬頻帶電荷放大器。
文檔編號H03F3/70GK101227174SQ20071003615
公開日2008年7月23日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者唐德堯, 王定曉, 王巍松 申請人:唐德堯