3 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 19年生 博士 教授
第21卷第3期
压 电 与 声 光
V o l .21N o .31999年6月
P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS
June 1999
双开关电荷采样放大器
3
文玉梅33 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A D 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 T PT 22
1 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,C s ,R s 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1 电荷源元件的等效模型
2 电荷放大器
电荷放大器原理和等效电路见图2。电路的输入端口参数是:总电阻R o =R s ‖R c ‖R
i ,R i 是运放的差模输入电阻;总电容C o =
图2 电荷放大器
C s +C c +(1+A v )C f ,C f 为反馈电容。电荷放
大器输出电压
V o (j Ξ)=-A v R o j Ξ
1+R o C o j Ξ
Q o (j Ξ)
(1)
式中A v 是运放的开环差模增益,由于其值很大,所以
V o (j Ξ)=-A v R o j Ξ
1+R o C o j Ξ
Q o (j Ξ)≈
-1
C f
Q o(jΞ)(2)于是电荷放大器的输出电压和电荷源产生的电荷成线性比例关系,比例系数基本上由反馈电容值决定。
电荷放大器本质上是一个积分电路,输出电压和输入失调电压V o s和直流偏置电流
I B的关系是对时间的线性积分[1],即
V o(t)=c1∫ t0V o s d t+c2∫ t0I B d t(3)积分常数c1、c2由电路参数确定。因此即使在输入为零的条件下,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,一般采用饱和取消补偿电路[3],这样将增加电路设计、调试复杂程度。
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。R o=R s‖R c‖R i‖r
1+A v
,C o=C s+C c+(1+A v)C f。r是模拟开关电阻,当开关闭合,r=r on为0～1k8;当开关断开,r=r off为1088以上。显然开关闭合
时,源器件的电荷将会以时间参数r on C f
1+A v
放电,所以敏感元件对低频动态激励和准静态激励的输出基本为零。同时电荷采样放大器此时等效为一个电压跟随器,I o≈0;当开关断开时,其输出电压就是电荷放大器的输出电压,如式(2)。由于开关断开的时间可以控制为微秒到毫秒量级的脉冲时间,因此V o s和I B引起的输出漂移可以控制在非常小的范围,并且在开关闭合时,由于漂移累积在C f 上的电荷会放电,所以不可能达到输出饱和。但是这样的单开关电荷采样放大器是一个不稳定电路,即使在输入电压为零时,其输出电压由于电容电路的开关特性,将会输出振荡波形。分析如下:当开关断开时,这时电路是一个电荷放大器,电路输出将根据式(2)由输入确定,即使在输入电压为零时,由于运放的零点不可能精确调定,所以电路输出有一微小的不为零的电压值。在开关闭合前的瞬间V o=V o(0-)≠0,开关闭合后输出端将通过闭合的开关对电荷元件的等效电容充电,充电电路如图3(b)所示,其中r A是运放的输出电阻,由运放的输出电压和输出电流的关系特性确定,当运放工作在线性区时r A为0～1008,工作在非线性区时r A→∞。图4
是集
图3 电压单开关电荷采样放大器
4 运放输出电压和输出电流特性
成运放输出电压和输出电流关系的典型曲线[5]。充电时间常数Σ≈(r on+r A)・C s。闭合开关时放大器工作在线性放大区,V o(t)=-A v V i(t)=-A v V o(0-)(1-e-t Σ),Σ很小,很快将进入放大器的非线性区,和V o(0-)的极性相反,输出为正向或负向饱和电压V p。在输出电压的作用下,源电容被继续充电或放电,有
Σ・
d V i(t)
d t
+V i(t)=V o(t)(4)在非线性区,V o(t)变化非常缓慢,所以V i(t)≈V o(t)(1-e-t Σ)+V o(0-)e-t Σ
第3期文玉梅等:双开关电荷采样放大器183
由于V o (t )和V o (0-)极性相反,所以V i (t )将逐渐趋于零,使得运放重新回到线性区。由于
跟随器的V i (t )=V o (t )≈V p e -(
1+A v )t Σ→0,并且和V o (0-)极性相反。开关断开,V o (t )保持不变,而V i (t )上的电压却会有所降低。再次闭合开关时,在相反极性方向重复上述充放电过程。所以单开关电荷采样放大器是一个不稳定电路,其振荡输出的脉冲形状和运放的输出特性曲线非常相似,如图5所示
。
图5 单开关电荷采样放大器的振荡输出
4 双开关电荷采样放大器
针对单开关电荷采样放大器自激振荡的原因,我们设计了如图6所示的双开关电荷采样放大器电路。开关K 1和开关K 2互补操作:在非采样周期,K 1闭合,K 2断开;在采样周期,K 1断开,K 2闭合。所以在非采样周期,该电路是一个输入为零的射随器,V o (t )=0;在采样周期,该电路就是前述电荷放大器,输出如式(1),其中C o =C s +C c +(1+A v )C f ,R o =R s ‖R c ‖R i 。同样,由于可以控制采样周期
在一个很短的时间内,所以由直流偏置等造成的输出漂移可以在一个很低的水平,其引起的测量误差可以忽略。在非采样周期,反馈电容以时间常数r on C f 放电,因而漂移输出不可能累积而造成输出饱和。可以看出在采样周期内,源器件的瞬态时间参数,大于非采样周期的时间常数,且采样时间较短,所以在采样周期输出电压
V o (t )≈-Q (t 0)
C f
(6)是一个不变电平,其中t 0是采样周期开始时刻。因此电荷采样放大器的输出具有保持特性,可以直接用作A D 转换的输入
。
图6 双开关电荷采样放大器
电荷采样放大器中的开关采用的是电子
模拟开关,由于开关存在延迟特性,即开关的通、断相对于控制信号有数微秒到数十微秒的延迟,所以必须从控制信号上严格保证双开关电荷采样放大器的两个开关不会出现同时闭合导通,否则将会出现单开关电荷采样放大器的电容充放电过程,使得在两个开关同时闭合的时间内,输出产生和源信号无关的脉冲。开关的实际控制波形如图7所示,高电平控制开关闭合,低电平控制开关断开,两个信号中高电平的时间间隔Σ应大于选用的模拟开关的延迟时间
。
图7 双开关的控制波形
5 实验和结论
选用L F 356高精度、高输入阻抗运放,
CD 4066C M O S 电子模拟开关,反馈电容82p F ～0.1ΛF ,建立上述单开关和双开关电荷采样放大器电路,单开关电路始终振荡,振荡波形见图5。而双开关电路则完全实现了电荷采样输出的目的,无自激振荡。在控制信号的重复频率为1kH z ,反馈电容470p F 时,采样周期内的最大漂移输出电压在10mV
以下。整个电路连接正确,即可工作,无需调试。实验结果证实了分析结论的正确性。
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Charge Sam pl i ng Am pl if ier w ith Tw i n Sw itches
W en Y u m e i L i P i ng
(D ep t.of Op to2electronic Info rm ati on Engineering,Chongqing U niversity,Chongqing,400044)
Abstract Charge amp lifiers are popu lar p re2conditi on ing circu its fo r charge devices.Charge samp ling amp lifiers have the functi on of charge amp lifiers as the sam e ti m e they p reven t the ou tpu t satu rati on resu lted from direct cu rren t drift in charge amp lifiers.A charge samp ling amp lifier w ith one s w itch is no t stab le,it w ill generate self2o scillati on w ith s w itch ing2on and s w itch ing2off of the s w itch.T h is paper analyzes a charge samp ling amp lifier and p ropo ses a new design of a charge samp ling amp lifier w ith tw in s w itches.T h is desing p reven ts bo th self2o scillati on and ou tpu t satu2 rati on.O u tpu t of a tw in s w itch charge amp lifier can be directly u sed as the inpu t of a A D convert2 er.
Key words p re2conditi on ing circu it;charge amp lifier;charge device
(上接第180页)
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53
Techn ique of Acoustic Target Iden tif ica tion i n Background of W ar
N iM i ng Chen Zhe Hu Y ong m i ng L iu Yang L i X iujuan
(D ep t.of A pp lied Physics,N ati onal U niversity of D efense T echno logy,Changsha,410073)
Abstract T he paper overview s app licati on s of the techn ique of acou stic target iden tificati on in m ilitary.W e discu ss som e p rob lem s on the techno logy of acou stic target iden tificati on and fo re2 cast its trend of developm en t.
Key words acou stic signal;background of w ar;target iden tificati on下载本文
