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1、第21卷第3期压 电 与 声 光Vol.21No.31999年6月PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICSJune19993双开关电荷采样放大器33文玉梅 李 平(重庆大学光电信息工程系,重庆400044) 摘 要 电荷放大器是高阻抗电荷源器件普遍采用的前置电路,电荷采样放大器保持了电荷放大器功能,同时可以消除电荷放大器直流漂移导致的输出饱和,但是单开关的电荷采样放大器是不稳定电路。文中分析了电荷采样放大器的工作原理,提出了双开关电荷采样放大器,该电路不自激振荡,无输出饱和,其输出可以直接作为AöD转换电路的输入。关键词 前置电路;电荷放大器;电荷元件分类号 TPT221
2、引言压电元件、CCD器件等敏感元件的敏感输出是电荷,而电荷元件一定是电容性元件,它们的电等效模型是一个有源电容,如图1所示,Cs,Rs分别是元件的等效电容和电阻。所以电荷源器件在低频时是高输出阻抗源器件,需要一定的前置电路才能有效获取信号。电荷源元件通常选用电荷放大器作为前置电路,其目的是要消除连接电缆的分布电容对信号幅度测量精度的影响。图2 电荷放大器Cs+Cc+(1+Av)Cf,Cf为反馈电容。电荷放图1 电荷源元件的等效模型大器输出电压AvRojXVo(jX)=-Qo(jX)(1)1+RoCojX2 电荷放大器式中Av是运放的开环差模增益,由于其值很电荷放大器原理和等效电路见图2。电路
3、大,所以的输入端口参数是:总电阻Ro=Rs‖Rc‖Ri,AvRojXVo(jX)=-Qo(jX)≈1+RoCojXRi是运放的差模输入电阻;总电容Co= 收稿日期:19982082033 国家教育部光电技术及系统开发实验室开放基金资助项目33 女 1964年生 博士 教授©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.182压 电 与 声 光1999年 1一个电荷放大器,电路输出将根据式(2)由输-Qo(jX)(2)Cf入确定,即使在输入电压为零时,由于运放的于是电荷放大器的输出电压和电荷源产生的零点不可能精确调
4、定,所以电路输出有一微电荷成线性比例关系,比例系数基本上由反小的不为零的电压值。在开关闭合前的瞬间馈电容值决定。-Vo=Vo(0)≠0,开关闭合后输出端将通过 电荷放大器本质上是一个积分电路,输闭合的开关对电荷元件的等效电容充电,充出电压和输入失调电压Vos和直流偏置电流电电路如图3(b)所示,其中rA是运放的输出[1]IB的关系是对时间的线性积分,即电阻,由运放的输出电压和输出电流的关系ttVo(t)=c1Vosdt+c2IBdt(3)特性确定,当运放工作在线性区时rA为0～∫0∫0积分常数c1、c2由电路参数确定。因此即使在1008,工作在非线性区时rA→∞。图4是集输入为零的条件下,
5、输出电压值将沿正向或反向随着开机时间的增加而增加,一定时间后输入失调电压和直流偏置电流造成的漂移会导致输出饱和。为了能够实际应用,电荷放大器需要消除直流漂移饱和,一般采用饱和[3]取消补偿电路,这样将增加电路设计、调试复杂程度。图3 电压单开关电荷采样放大器3 电荷采样放大器在文献[4]中提出的电荷采样放大器的原理如图3(a)所示。Ro=Rs‖Rc‖Ri‖r,Co=Cs+Cc+(1+Av)Cf。r是模拟开1+Av关电阻,当开关闭合,r=ron为0～1k8;当开8关断开,r=roff为108以上。显然开关闭合ronCf时,源器件的电荷将会以时间参数放1+Av电,所以敏感元件对低频动态激励和准静
6、态4 运放输出电压和输出电流特性激励的输出基本为零。同时电荷采样放大器成运放输出电压和输出电流关系的典型曲此时等效为一个电压跟随器[5],Io≈0;当开关线。充电时间常数S≈(ron+rA)·Cs。闭合断开时,其输出电压就是电荷放大器的输出开关时放大器工作在线性放大区,Vo(t)=---töS电压,如式(2)。由于开关断开的时间可以控AvVi(t)=-AvVo(0)(1-e),S很小,很-制为微秒到毫秒量级的脉冲时间,因此Vos和快将进入放大器的非线性区,和Vo(0)的极IB引起的输出漂移可以控制在非常小的范性相反,输出为正向或负向饱和电压Vp。在围,并且在开关闭合时,由于漂移累积在Cf输出
7、电压的作用下,源电容被继续充电或放上的电荷会放电,所以不可能达到输出饱和。电,有dVi(t)但是这样的单开关电荷采样放大器是一个不S·+Vi(t)=Vo(t)(4)dt稳定电路,即使在输入电压为零时,其输出电在非线性区,Vo(t)变化非常缓慢,所以压由于电容电路的开关特性,将会输出振荡-töS--töSVi(t)≈Vo(t)(1-e)+Vo(0)e波形。分析如下:当开关断开时,这时电路是(5)©1995-20
