电荷放大器 电荷灵敏放大器原理

某些传感器属于电容性传感器，如压电式加速传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。

积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如右图所示。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势与一个输出电容串联，如图中虚线框内所示。

在理想运放条件下，，虚地，将传感器对地的杂散电容C短路，消除因C而产生的误差。集成运放A的输出

将上式代入得，

为了防止因C_f长时间充电导致集成运放饱和，常在C_f上并联电阻R_f，如右图所示。为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管。

电荷放大器实际上是积分器的一种具体应用，从数学上讲，积分器的输入输出关系为：
Vout(t)=int{[k.Vin(t) + V0(t)]dt} [t0,t] ，（这里假设输入输出均为电压信号，实际上可以为任何信号,）
电荷放大器的输入信号是脉冲电流i(t)，对特定的传感器来说，脉冲持续时间tp内包含的总电荷Qp=int{i(t)dt}[0, tp]代表了某一个物理量（比如说加速度）的峰值，因此，积分电路的输出电压Vp=Qp/C也是一个脉冲，脉冲的幅度也跟这个物理量成线性关系。
对于实际的积分器来说，存在很多非理想的因素，比如漏电流（输入偏置电流，开关关断泄漏电流，电容-pcb绝缘介质泄漏电流）、失调电压、参数的时间漂移等会影响积分器的实际表现。在上面的表达式中以V0(t)代替。
对于时域非对称信号（时域上对时间的算术平均不为0）来讲，积分器的输出信号是随积分时间增大而呈上升趋势，由于实际电路输出信号的摆幅（受电源电压大小、电路结构、晶体管尺寸限制）有限，积分器有可能进入到非线性区（输出饱和），所以，对这种信号，实际上积分器不能连续工作在对输入信号的积分状态，它需要有一个间隙时间，对积分器（电容）进行放电复位或者对一个反向的参考源进行“反向”积分。
对于电荷放大器来说，如果没有复位电路（一直工作在对输入信号积分状态），则积分器的电容上的电荷会随着输入脉冲累计，一直到放大器饱和为止；在有复位措施情况下，则取决于每次电荷复位情况，复位不好时也会累集电荷，在经过足够长时间后累积的电荷跟输入脉冲频率有关（定性说来，fin越大，累计越大，每次复位后的残余电荷越大，稳态后也越大）。
在积分时间非常长的情况，输入端总的等效漏电流在积分器的电荷积累变得不可忽略，产生额外的误差，严重时甚至使放大器趋于饱和，所以必须限制到一个合理水平，Qleakage=Ileakage*t,Voffset_leakage=Qleakage/C, 具体要看你的具体要求

对于那种采用最原始的RC积分器（并联RC在高阻抗低输入偏置电流放大器两端）来说，假设输入脉冲宽度足够小，那么经过足够长时间后，积分器的输出剩余电荷（就是电荷放大器回不到0的那部分）近似为：
（不考虑其他如漏电流影响等）
Qoffset=[1/（1-exp(-T/to)）-1]*Qp,积分器输出残余电压Voffset=Q0/Cf=Vp/exp(T/t0)
T=1/fin, t0=1/(Rf*Cf),Qp为每个输入脉冲包含的电荷量，Vp为积分器对单个输入脉冲的响应输出电压峰值。

由此可以看出，当输入信号频率比较高时，比如t0=20us,T=33us(fin=30kHz)，则可以计算出长时间后积分器距离0点的累计电荷为：
Qoffset=24%*Qp，有24%的电荷累计，造成相当大的误差。
所以，如果输入信号频率比较高，不能采用简单线性时不变参数积分器构成电荷灵敏放大器。

电荷放大器的零漂主要来自输入电路的失调电压、失调电流及输入反馈电阻，当信号频率趋于0时，漂移干扰源eN与输出漂移eO之间有如下关系：
eO/eN＝1＋（gt＋gc＋gi）/gf
其中gt、gc、gi、gf分别为传感器、传输电缆，信号输入端的电导及反馈电阻的电导。由此可以看出：为了使输出漂移小，除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，根据fL＝1/2PI*Rf*Cf,又会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！