CN101227174B

CN101227174B - 一种宽频带电荷放大器及其设计方法

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Publication number: CN101227174B
Application number: CN2007100361531A
Authority: CN
Inventors: 唐德尧; 王定晓; 王巍松
Original assignee: Individual
Current assignee: Beijing Tanzhi Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: CN101227174A

Abstract

一种宽频带电荷放大器，用于电荷电压变换，其特征是在公知的电荷放大器电路中，把跨接在运算放大器负输入端与输出端之间的反馈电阻分成R₁₁、R₁₂串联电路，从R₁₁、R₁₂的接点对参考端G接入反馈旁路支路，该反馈旁路支路由R₃与C₂串联组成，当R₁₁＝R₁₂＝R时，接入的反馈旁路支路能够使无该旁路支路时的电荷放大器输出端V_O的转折频率f0下降到f1＝f0/X，提出的以低阻值电阻设计甚低频电荷放大器的技术原理的设计公式是：R₃＝0.5R/(X-1)*2^0.5，C₂＝2XRC₁/R₃从而优化了公知的仅适于中高频的电荷放大器的低频特性，实现了宽频带电荷放大器。

Description

一种宽频带电荷放大器及其设计方法

技术领域：

本发明涉及一种电荷放大器及其设计方法，特别是一种低频特性良好的宽频带电荷放大器，属于设备故障诊断技术的信号检测技术范畴，主要用于处理以压电陶瓷等为敏感器件的传感器所产生的电荷信号，解决低频电荷信号检测的技术问题。

背景技术

现有技术已有用于检测中频和高频压电信号的电荷放大器，也有用于检测低频压电信号的电荷放大器，其典型方式是用运算放大器组成的并联电压放大器式积分器构成如附图1的电路，实际技术内容是“电荷电压转换器”，其高频特性仅取决于运算放大器的高频特性而没有技术难点。

在附图1中，OP₁运放的正输入端接参考点G，负输入端便成为积分器的虚地Q+。由于运算放大器的增益非常高，该虚地Q+相对于参考点G的电压信号V_FQ接近于零；因此，电压源V_G1的电压全部加在电容器C₀上，亦即C₀上的电荷Q＝V_G1/C₀，V_G1与C₀构成一个电荷源Q；该电荷源以有限的电流对运放负输入端输入信号，由于运放输入阻抗极高，几乎不消耗电流，于是全部电流流经C₁、R₁的并联支路，流到运放OP₁的输出端，则运放输出端的电压V_F1是：

V_F1＝-V_G1/X_C0*(R₁//X_C1)

在中频以上，由于R₁＞＞X_C1，所以上式简化为：

V_F1＝-V_G1*C₀/C₁

由于C₀＝C₁＝1n，所以该公知电荷放大器的中、高频传输特性是：

K＝20log(V_F1/V_G1)＝0[dB]

问题在于：当频率低达f0＝7.98Hz时，该公知电荷放大器的传输特性(如附图2所示)，下降为-3.01dB，该频率f0称为“转折频率”，当频率低达0.01Hz时，传输特性下降到-58dB。不能满足低频电荷信号的检测要求。这是由于低频时，电容器C₁的容抗X_C1上升，当频率下降到转折频率f0＝7.98Hz时，C₁的容抗上升到接近于R₁＝20M：

X_C1＝1/(2πf0C₁)＝1/(2π*7.98*10^-9)＝19.9442MΩ

R₁、C₁的并联阻抗X＝(R₁ ^-2+X_C1 ^-2)^-0.5＝14.14MΩ

而X_C0＝19.9442MΩ

所以，此时的传输增益是：G＝X/X_C0＝0.707，

传输系数是：K＝20log G＝-3.01dB。

上述分析的结论是：问题的关键在于反馈电阻R₁限制了电荷放大器的低频特性。因此，已有的低频电荷放大器采取以下两种技术措施解决上述问题：

措施之一，是尽量增大电容器C₁，在电阻R₁不变时，电容器C₁增大N倍，则电荷放大器的低频转折频率就下降N倍，但由此会引起电荷放大器的转换灵敏度也下降N倍，显然这对于保证灵敏度和降低信噪比极为不利。

措施之二如附图3，是尽量增大电阻器R₁，例如有的电荷放大器将R₁取为1000MΩ，即1GΩ，但由此引起电荷放大器的工作点极不稳定，以致早期有的电荷放大器增加了“复位按钮”SW1，要求使用者经常通过此按钮对R₁短路或并联小电阻R₂，以便恢复工作状态。这种方式显然不能用于要求无人操作的在线故障诊断。

附图2、3-1、3-2描述了公知电荷放大器电路使用大反馈电阻R₁获取低频特性存在的问题。虽然现代高性能的运放可以在R₁＝1GΩ的条件下也保障电荷放大器的工作点正常，但是，高达1GΩ的电阻器件在工程现场的检测电路中几乎没有意义，因为安装该器件的电路板受到环境湿度、尘埃的影响，以致其绝缘电阻时常降低到10MΩ数量级。为了保障绝缘，某些产品不惜把与Q+端相关的若干器件的引脚全部焊接到安装在电路板上的瓷座上面悬浮起来。因此，研制适于工程现场应用的、简单的、低成本的低频特性良好的电荷放大器，以便实现真正的宽频带电荷放大器便成为一个长期困扰工程实践的难题。

发明内容：

本发明是以如下方式实现的。

一种宽频带电荷放大器，含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂、R₃，电容器C₁、C₂，运放OP₁的正电源端接正电源V_DD，运放OP₁的负电源端接负电源Vss，运放OP₁的正输入端接电源地GND亦即参考端G，压电陶瓷等输出的电荷信号的正端接运放OP₁的负输入端Q+，电荷信号的负端接参考端G，电容器C₁跨接在运放OP₁的负输入端和输出端之间，其特征在于：将所述电荷放大器跨接在运放OP₁负输入端与输出端之间的反馈电阻器R₁分为两个电阻器R₁₁、R₁₂串联构成一种反馈旁路式低频电荷放大器，电阻器R₁₁的一端接运放OP₁的负输入端，另一端接电阻R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，从电阻器R₁₁、R₁₂的连接点接入由电阻器R₃、电容器C₂构成的反馈旁路支路的电容器C₂的一端，电容器C₂的另一端接电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接参考端G，从运放OP₁的输出端经过端子V_O输出对输入电荷转换得到的电压信号。

所述的反馈旁路式低频电荷放大器的设计方法是：在既有的由电阻R₁₁+R₁₂、电容器C₁组成的反馈电路中增加由电阻器R₃+电容器C₂组成的旁路，即在已知电容器C₁、电阻器(R₁₁＝R₁₂＝R)的条件下，电容器C₂、电阻器R₃和优化系数X的函数关系由下列联立方程[A]、[B]确定，

R₃＝0.5*2^0.5*R/(X-1)----------[A]

C₂＝2XRC₁/R₃--------------[B]；以达到将原有电路的-3dB低频响应频率f0降低到f1＝f0/X的目的，

推导如下：

建立有关V_F的方程式，V_I是Q+端的微小电压，根据克希霍夫定理，流入节点V_F的总电流等于零，于是有：

(V_O-V_F)/R₁₂＝(V_F-V_I)/R₁₁+V_F/(R₃+1/j2πfC₂)----------[1]

移项：V_F/R₁₁+V_F/R₁₂+V_F/(R₃+1/j2πfC₂)＝V_O/R₁₂+V_I/R₁₁

由于R₁₁＝R₁₂＝R，所以有：

V_F/R+V_F/R+V_F/(R₃+1/j2πfC₂)＝V_O/R+V_I/R

对上式两边乘以R，得到：

V_F+V_F+V_F*R/(R₃+1/j2πfC₂)＝V_O+V_I

整理为：V_F[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]＝V_O+V_I，所以有：

V_F＝(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]----------[2]

在没有C₂R₃支路时的转折频率f₀，是在2R＝R₁₁+R₁₂＝1/(2πf₀C₁)时的频率：

f₀＝1/(2R*2πC₁)

R₁₁+R₁₂＝2R对于C₁并联的视在阻抗是2R，其特征是发生的反馈电流为：

I₀＝(V₀-V_I)/2R

在增加C₂R₃支路后，发生的反馈电流是：

I₁＝(V_F-V_I)/R₁₁＝(V_F-V_I)/R

将[2]式代入上式：

I₁＝{(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j₂πfC₂)]-V_I}/R

＝{(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j₂πjC₂)]-(V_O+V_I)+V_O}/R

＝{(V_O+V_I)(1/[2+R/(R₃+1/j₂πfC₂]-1)+V_O}/R

由于在低频时运算放大器有最高的开环增益，V_I趋近于0，则有：

I₁＝V_O/{[2+R/(R₃+1/j₂πfC₂)]*R}

则R₁₁的视在阻抗是：R₁＝[2+R/(R₃+1/j₂πfC₂)]*R

R₁＝2R+R²/(R₃+1/j₂πfC₂)----------[3]

由于f₀＝1/(₂πC₁)/2R，即与反馈视在电阻2R成反比；因此，如需将f₀降低到f₀/X，(定义域：X＞1，)则应保障R₁₁的视在阻抗R₁为(R₁₁+R₁₂)＝2R的X倍：

R₁＝2RX

据此得到将f₀下降到f₁＝f0/X的方程：

R₁＝2R+R²/(R₃+1/j₂πf1C₂)＝2XR

2+R/(R₃+1/j₂πf1C₂)＝2X

R/(R₃+1/j₂πf1C₂)＝2X-2

R/(2X-2)＝R₃+1/j₂πf₁C₂

R/(X-1)＝2(R₃+1/j₂πf₁CC₂)

0.5R/(X-1)＝R₃+1/j₂πf₁C₂----------[4]

由于在新的转折频率f₁时，还有

R₃＝|1/(₂πf₁C₂)|＝|Y|----------[5]

所以[4]式化为：

0.5R/(X-1)＝|R₃+1/j₂πf₁C₂|＝|R₃+Y|＝(R₃ ²+Y²)^-0.5＝R₃/2^0.5，解得R₃的设计公式：

R₃＝0.5R/(X-1)*2^0.5----------[6]，

即R₃＝0.5R/(X-1)*2^0.5----------[A]

因为：f₀＝1/(₂πC₁)/2R＝1/(4πRC₁)，

则有：f1＝f0/X＝1/(4πXRC₁)--------[7]

将[7]式代入[5]式并移项：

C₂＝1/(2πf₁R₃)＝1/[2πR₃*(1/(4πXRC₁))]

＝1/[R₃*(1/(2XRC₁))]，

简化得到C₂的设计公式：

C₂＝2XRC₁/R₃--------[8]，

即C₂＝2XRC₁/R₃--------------[B]

所述的宽频带电荷放大器是一种含有运放OP₁、OP₂，电阻器R₁～R₃、R₁₁、R₁₂，电容器C₁～C₃的单电源单端输入宽频带电荷放大器(见附图7)；其中各运放的正电源端接正电源端子V_DD，运放的负电源端接地线GND，电阻器R₁的一端接地，另一端接运放OP₂的正输入端和电阻器R₂的一端以及电容器C₃的一端，电容器C₃的另一端接地GND，电阻器R₂的另一端接正电源端子V_DD，运放OP₂的输出端接其负输入端，并输出等于电源电压之一部分的电平作为参考端G；运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接到电荷信号输入端Q+，电荷信号的另一端接到参考端G；运放OP₁的负输入端还接到反馈电容器C₁的一端，反馈电容器C₁的另一端接到运放OP₁的输出端，运放OP₁的负输入端还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端和电容器C₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，电容器C₂的另一端接电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接参考端G；电荷信号源的电荷从Q+和参考端G输入，所变换得到的电压信号从运放OP₁的输出端经过V_O端子输出。

所述的宽频带电荷放大器是一种差分输入宽频带电荷放大器(见附图8)，该差分输入宽频带电荷放大器设有电荷信号源的输入端Q+、Q-和参考端G，设有对Q+信号进行电荷电压变换的正电荷变换器和对Q-信号进行电荷电压变换的负电荷变换器；正电荷变换器含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂，反馈电容器C₁₁；运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接正电荷输入端Q+，还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端；负电荷变换器含有运放OP₂、电阻器R₂₁、R₂₂，反馈电容器C₁₂；运放OP₂的正输入端接参考端G，负输入端接负电荷输入端Q-，还接到电阻器R₂₁的一端，电阻器R₂₁的另一端接电阻器R₂₂的一端，电阻器R₂₂的另一端接运放OP₂的输出端；此外，还含有对于运放OP₁、OP₂变换输出的差分电压求和的叠加电路，该叠加电路含有运放OP₃、电阻器R₁～R₄；其中电阻器R₁＝R₂和R₄＝R₅，电阻器R₁的一端接到运放OP₁的输出端，另一端接到运放OP₃的正输入端和电阻器R₂的一端，电阻器R₂的另一端接参考端G；电阻器R₄的一端接运放OP₂的输出端，另一端接运放OP₃的负输入端，还接到电阻器R₅的一端，电阻器R₅的另一端接到运放OP₃的输出端，从运放OP₃的输出端经过端子OUT输出差分电荷变换信号。

所述差分输入宽频带电荷放大器的电阻器R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂，C₁₁＝C₁₂，在R₁₁与R₁₂的连接点接有电阻R₃的一端，R₃的另一端接电容C₂的一端，C₂的另一端接到R₂₁、R₂₂的连接点组成提升低频特性的差分旁路支路；设R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂＝R，C₁₁＝C₁₂＝C₁，无差分旁路的差分电荷放大器的低频转折频率是f₀＝1/(4πRC₁)，则通过差分旁路提升低频特性X倍，得到f₁＝f₀X的旁路参数设计公式是：

R₃＝R/(X-1)*2^0.5---------[C]

C₂＝2XRC₁/R₃-----------[D]

根据以上技术方案提出的这种宽频带电荷放大器及其设计方法，是一种适于工程现场应用的、简单的、低成本的低频特性良好的电荷放大器，实现了真正的宽频带电荷放大器，解决了实际应用中的一个难题。

附图说明：

附图1为公知电荷放大器电路图；

附图2为公知电荷放大器的频率特性示意图；

附图3-1为公知电荷放大器电路示意图；

附图3-2使用大反馈电阻获取低频特性存在问题的示意图；

附图4-1为反馈旁路式低频单端电荷放大器电路图；

附图4-2及其频率特性示意图；

附图5-1为反馈旁路式低频单端电荷放大器电路图；

附图5-2为反馈旁路式低频单端电荷放大器频率特性示意图；

附图6-1为没有反馈旁路的低频单端电荷放大器电路图；

附图6-2及其频率特性示意图；

附图7为单电源单端输入宽频带电荷放大器的电路图；

附图8为一种差分输入宽频带电荷放大器电路图；

附图9-1为没有差分旁路的差分电荷放大器电路图；

附图9-2为没有差分旁路的差分电荷放大器低频特性示意图；

附图10-1为有相应反馈旁路的单端电荷放大器电路图；

附图10-2为有相应反馈旁路的单端电荷放大器低频特性示意图；

附图11-1为有差分旁路的差分电荷放大器电路图；

附图11-2为有差分旁路的差分电荷放大器低频特性示意图。

具体实施方式：

分析图1所示的公知电路可知：由于电荷放大器的输入端虚地Q+对于参考端G之间的交流电位差接近于零，因此电荷信号源的体电阻R₀、体电容C₀、传输线的分布电容C_C对于电荷放大器的灵敏度和频率响应影响十分微小，唯有稳定电荷放大器工作状态的反馈电阻R₁因为与关键的、决定电荷放大器灵敏度的反馈电容C₁并联而严重影响低频特性。

因此，在本发明的技术方案中始终围绕反馈电阻R₁进行思考，下面结合实施例作进一步说明。

实施例1，反馈旁路式低频单端电荷放大器

本发明提出的反馈旁路式低频电荷放大器技术的原理，是通过电容器串联电阻C₂+R₃支路把电阻器R₁₁与电阻器R₁₂的连接点V_F的交流电位拉向参考点G的电位而又不附加可观的相移，造成电阻器F₁₁形同从运放OP₁的负输入端交流接地的效果，以达到充分减少对于运放负输入端的、来自运放OP₁输出端的、除了C₁之外的交流负反馈，从而提升低频频率响应。

这种宽频带电荷放大器(见附图4-1、4-2)，含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂、R₃，电容器C₁、C₂，运放OP₁的正电源端接正电源V_DD，运放的负电源端接负电源Vss，运放的正输入端接电源地GND亦即参考端G，压电陶瓷等输出的电荷信号的正端接运放的负输入端Q+，电荷信号的负端接参考端G，电容器C₁跨接在运放OP₁的负输入端和输出端之间，其特征在于：将经典电荷放大器跨接在运放OP₁负输入端与输出端之间的反馈电阻器R₁分为两个电阻器R₁₁、R₁₂串联构成一种反馈旁路式低频电荷放大器，电阻器R₁₁的一端接运放OP₁的负输入端，另一端接电阻R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，从电阻器R₁₁、R₁₂的连接点接入由电阻器R₃、电容器C₂构成的反馈旁路支路的电容器C₂的一端，电容器C₂的另一端接电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接参考端G，从运放OP₁的输出端经过端子V_O输出对输入电荷转换得到的电压信号。

本发明的设计方法，是在既有的由电阻器R₁₁+R₁₂、电容器C₁组成的反馈电路中增加由R₃+C₂组成的旁路，达到将原有电路的-3dB低频响应频率f₀降低到f₁＝f₀/X的目的。有关电容器C₁、当电阻器F₁₁＝R₁₂＝R时、C₂、R₃和优化系数X的函数关系推导如下：

建立有关V_F的方程式。V₁是Q+端的微小电压。根据克希霍夫定理，流入节点V_F的总电流等于零，于是有：

(V_O-V_F)/R₁₂＝(V_F-V_I)/R₁₁+V_F/(R₃+1/j2πfC₂)----------[1]

由于R₁₁＝R₁₂＝R，所以有：

V_F/R+V_F/R+V_F/(R₃+1/j2πfC₂)＝V_O/R+V_I/R

对上式两边乘以R，得到：

V_F+V_F+V_F*R/(R₃+1/j2πfC₂)＝V_O+V_I

整理为：V_F[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]＝V_O+V_I，所以有：

V_F＝(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]----------[2]

f₀＝1/(2R2πC₁)

R₁₁+R₁₂＝2R对于C₁并联的视在阻抗是2R。其特征是发生的反馈电流为：

I₀＝(V₀-V_I)/2R

在增加C₂R₃支路后，发生的反馈电流是：

I₁＝(V_F-V_I)/R₁₁＝(V_F-V_I)/R

将[2]式代入上式：

I₁＝{(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]-V_I}/R

＝{(V_O+V_I)/[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]-(V_O+V_I)+V₀}/R

＝{(V_O+V_I)(1/[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]-1)+V₀}/R

I₁＝V_O/{[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]*R}

则R₁₁的视在阻抗是：R₁＝[2+R/(R₃+1/j2πfC₂)]*R

R₁＝2R+R²/(R₃+1/j2πfC₂)----------[3]

由于f0＝1/(2πC₁)/2R，即与反馈视在电阻器2R成反比。因此，如需将f₀降低到f₀/X，(定义域：X＞1，)则应保障电阻器R₁₁的视在阻抗R₁为(R₁₁+R₁₂)＝2R的X倍：

R₁＝2RX

据此得到将f0下降到f1＝f0/X的方程：

R₁＝2R+R²/(R₃+1/j2πf1C₂)＝2XR

2+R/(R₃+1/j2πf1C₂)＝2X

R/(R₃+1/j2πf1C₂)＝2X-2

R/(2X-2)＝R₃+1/j2πf1C₂

R/(X-1)＝2(R₃+1/j2πf1C₂)

0.5R/(X-1)＝R₃+1/j2πf1C₂----------[4]

由于在新的转折频率f₁时，还有

R₃＝|1/(2πf1C₂)|＝|Y|----------[5]

所以[4]式化为：

0.5R/(X-1)＝|R₃+1/j2πf1C₂|＝|R₃+Y|＝(R₃ ²+Y²)^-0.5＝R₃/2^0.5，解得R₃的设计公式：

R₃＝0.5R/(X-1)*2^0.5----------[6]

因为：f0＝1/(2πC₁)/2R＝1/(4πRC₁)，

则有：f1＝f0/X＝1/(4πXRC₁)---------[7]

将[7]式代入[5]式并移项：

C₂＝1/(2πf₁R₃)＝1/[2πR₃*(1/(4πXRC₁))]＝1/[R₃*(1/(2XRC₁))]，

简化得到C₂的设计公式：

C₂＝2XRC₁/R₃--------[8]

仿真验算如下：

设原始参数R＝9.1M，C₁＝1n，则有原始电路的转折频率：

f0＝1/(4πRC₁)＝8.7448Hz，

希望目标值：f1＝0.25Hz，则X＝f₀/f₁≈35，

设计的频率：f1＝f0/X＝0.24985Hz

根据[6]式，计算得到：R₃＝0.5R/(X-1)*20.5＝189.255k

根据[8]，计算得到：C₂＝2XRC₁/R₃＝2*35*9.1M*1n/189.255k＝3.3658uF

将计算的旁路参数纳入附图5-1、电路进行仿真分析；去掉旁路参数的原始电路仿真见附图6-1、6-2。

上述仿真试验的结果表明：

f₀的理论值是：f0＝8.7448Hz，f0测量值是8.77Hz，误差是由仿真软件的频率测量分辨率误差引起的；

f₁理论值是f₁＝f₀/35＝0.24985Hz，f₁测量值是0.2605Hz，相对于目标值0.25Hz的绝对误差0.0105Hz。

实施例2是一种单电源单端输入宽频带电荷放大器

如附图7所示的一种单电源单端输入宽频带电荷放大器，用于只有单一电源供电的场合，其特征是含有运放OP₁、OP₂，电阻器R₁～R₃、R₁₁、R₁₂，电容器C₁～C₃，各运放的正电源端接正电源端子V_DD，运放的负电源端接地线GND，电阻器R₁的一端接地，另一端接运放OP₂的正输入端和电阻器R₂的一端以及电容器C₃的一端，电容器C₃的另一端接地GND，电阻器R₂的另一端接正电源端子V_DD，运放OP₂的输出端接其负输入端，并输出等于电源电压之一部分的电平作为参考端G；运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接到电荷信号输入端Q+，电荷信号的另一端接到参考端G；运放OP₁的负输入端还接到反馈电容器C₁的一端，电容器C₁的另一端接到运放OP₁的输出端，运放OP₁的负输入端还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端和电容器C₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，电容器C₂的另一端接电阻器R₃的一端，F₃的另一端接参考端G；电荷信号源的电荷从Q+和参考端G输入，所变换得到的电压信号从运放OP₁的输出端经过V_O端子输出。由于采用运放OP₂、电阻器R₁、R₂、C₃组成电源分压器构成参考端G的电平，从而使运放OP₁所构成的电荷放大器可以用单一电源工作，处理单端输入的电荷信号。电路的参数电阻器R₁₁、R₁₂、电容器C₁电阻器、R₃、电容器C₂的设计技术与发明内容所述相同。

实施例3，是一种差分输入宽频电荷放大器

如附图8所示的一种差分输入宽频带电荷放大器，目的在于为了提高抗干扰能力，其特征在于设有电荷信号源的输入端Q+、Q-和参考端G，设有对Q+信号进行电荷电压变换的正电荷变换器和对Q-信号进行电荷电压变换的负电荷变换器；正电荷变换器含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂，反馈电容器C₁₁，运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接正电荷输入端Q+，还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端；负电荷变换器含有运放OP₂、电阻器R₂₁、R₂₂，反馈电容器C₁₂；运放OP₂的正输入端接参考端G，负输入端接负电荷输入端Q-，还接到电阻器R₂₁的一端，电阻器R₂₁的另一端接电阻器R₂₂的一端，电阻器R₂₂的另一端接运放OP₂的输出端；还含有对于运放OP₁、OP₂变换输出的差分电压求和的叠加电路，该叠加电路含有运放OP₃、电阻器R₁＝R₂和R₄＝R₅，R₁的一端接到运放OP₁的输出端，另一端接到运放OP₃的正输入端和电阻器R₂的一端，电阻器R₂的另一端接参考端G；电阻器R₄的一端接运放OP₂的输出端，另一端接运放OP₃的负输入端，还接到电阻器R₅的一端，电阻器R₅的另一端接到运放OP₃的输出端，从运放OP₃的输出端经过端子OUT输出差分电荷变换信号。

其特征还在于，R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂，C₁₁＝C₁₂，在电阻器R₁₁与R₁₂的连接点接有电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接电容C₂的一端，C₂的另一端接到电阻器R₂₁、R₂₂的联接点组成提升低频特性的差分旁路支路，设R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂＝R，C₁₁＝C₁₂＝C₁，无差分旁路的差分电荷放大器的低频转折频率是f₀＝1/(4πRC₁)，则通过差分旁路提升低频特性X倍，得到f₁＝f₀/X的旁路参数设计公式是：

R₃＝R/(X-1)*2^0.5----------[C]

C₂＝2XRC₁/R₃------------[D]

与单端电荷放大器的旁路参数公式[A]、[B]比较，

R₃＝0.5R/(X-1)*20.5--------[A]

C₂＝2XRC₁/R₃----------[B]

相对于单端电荷放大器的旁路电路参数，差分电荷放大器的旁路支路R₃增大到2倍，而C₂减小到1/2。这是因为差分旁路支路等于两个单端旁路的串联，则差分旁路电阻等于两个单端旁路电阻之串联和，即等于单端旁路电阻的2倍；而差分旁路电容等于两个单端旁路电容的串联和，即等于单端旁路电容之半。

附图9-1、9-2是没有差分旁路的差分电荷放大器电路图及其低频特性示意图：8.77Hz；

附图10-1、10-2是有相应反馈旁路的单端电荷放大器电路图及其低频特性：0.2795Hz；

附图11-1、11-2是有差分旁路的差分电荷放大器电路图及其低频特性：0.279Hz；

证明公式[C]、[D]是正确的。

Claims

1.一种宽频带电荷放大器，含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂、R₃，电容器C₁、C₂，运放OP₁的正电源端接正电源V_DD，运放OP₁的负电源端接负电源Vss，运放OP₁的正输入端接电源地GND，压电陶瓷输出的电荷信号的正端接运放OP₁的负输入端Q+，电荷信号的负端接参考端G，电容器C₁跨接在运放OP₁的负输入端和输出端之间，其特征在于：将所述电荷放大器跨接在运放OP₁负输入端与输出端之间的反馈电阻器R₁分为两个电阻器R₁₁、R₁₂，串联构成一种反馈旁路式低频电荷放大器，电阻器R₁₁的一端接运放OP₁的负输入端，另一端接电阻R₁₂的一端，R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，从R₁₁、R₁₂的连接点接入由R₃、C₂构成的反馈旁路支路的电容器C₂的一端，C₂的另一端接电阻器R₃的一端，R₃的另一端接参考端G，从运放OP₁的输出端经过端子V_O输出对输入电荷转换得到的电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带电荷放大器，其特征在于：所述的反馈旁路式低频电荷放大器，是在由R₁₁+R₁₂、C₁组成的反馈电路中增加由R₃+C₂组成的旁路，即在已知C₁、当R₁₁＝R₁₂＝R时，C₂、R₃和优化系数X的函数关系按下列联立方程[A]、[B]确定：

R₃＝0.5*2^0.5*R/(X-1)----------[A]

C₂＝2XRC₁/R₃-----------[B]；以达到将原有电路的-3dB低频响应频率f0降低到f1＝f0/X的目的。

3.一种宽频带电荷放大器，其特征在于：它是一种含有运放OP₁、OP₂，电阻器R₁～R₃、R₁₁、R₁₂，电容器C₁～C₃的单电源单端输入宽频带电荷放大器；其中各运放的正电源端接正电源端子V_DD，运放的负电源端接地线GND，电阻器R₁的一端接地，另一端接运放OP₂的正输入端和电阻器R₂的一端以及电容器C₃的一端，C₃的另一端接地GND，电阻器R₂的另一端接正电源端子V_DD，运放OP₂的输出端接其负输入端，并输出等于电源电压之一部分的电平作为参考端G；运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接到电荷信号输入端Q+，电荷信号的另一端接到参考端G；运放OP₁的负输入端还接到反馈电容器C₁的一端，反馈电容器C₁的另一端接到运放OP₁的输出端，运放OP₁的负输入端还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端和电容器C₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端，电容器C₂的另一端接电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接参考端G；电荷信号源的电荷从Q+和参考端G输入，所变换得到的电压信号从运放OP₁的输出端经过Vo端子输出。

4.一种宽频带电荷放大器，其特征在于：它是一种差分输入宽频带电荷放大器；该差分输入宽频带电荷放大器设有电荷信号源的输入端Q+、Q-和参考端G，设有对Q+信号进行电荷电压变换的正电荷变换器和对Q-信号进行电荷电压变换的负电荷变换器；正电荷变换器含有运放OP₁、电阻器R₁₁、R₁₂，反馈电容器C₁₁；运放OP₁的正输入端接参考端G，负输入端接正电荷输入端Q+，还接到电阻器R₁₁的一端，电阻器R₁₁的另一端接电阻器R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₁的输出端；负电荷变换器含有运放OP₂、电阻器R₂₁、R₂₂，反馈电容器C₁₂；运放OP₂的正输入端接参考端G，负输入端接负电荷输入端Q-，还接到电阻器R₂₁的一端，电阻器R₂₁的另一端接电阻器R₂₂的一端，电阻器R₂₂的另一端接运放OP₂的输出端；此外，还含有对于运放OP₁、OP₂变换输出的差分电压求和的叠加电路，该叠加电路含有运放OP₃、电阻器R₁～R₄；其中电阻器R₁＝R₂和R₄＝R₅，电阻器R₁的一端接到运放OP₁的输出端，另一端接到运放OP₃的正输入端和电阻器R₂的一端，电阻器R₂的另一端接参考端G；电阻器R₄的一端接运放OP₂的输出端，另一端接运放OP₃的负输入端，还接到电阻器R₅的一端，电阻器R₅的另一端接到运放OP₃的输出端，从运放OP₃的输出端经过端子OUT输出差分电荷变换信号；其中所述的电阻器R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂，C₁₁＝C₁₂，在电阻器R₁₁与R₁₂的连接点接有电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接电容C₂的一端，C₂的另一端接到电阻器R₂₁、R₂₂的联接点组成提升低频特性的差分旁路支路，设R₁₁＝R₁₂＝R₂₁＝R₂₂＝R，C₁₁＝C₁₂＝C₁，无差分旁路的差分电荷放大器的低频转折频率是f₀＝1/(4πRC₁)，则通过差分旁路提升低频特性X倍，得到f₁＝f₀/X的旁路参数设计公式是：

R₃＝R/(X-1)*2^0.5---------[C]

C₂＝2XRC₁/R₃------------[D]。