版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
1、第29卷第12期2006年12月合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.29No.12Dec.2006一種新型電荷放大器的設(shè)計方法與電路李勇,艾竹君,劉巧云(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽合肥230009)摘要:介紹了一種新的電荷放大器的方法和電路。該電路主要由電流轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路、積分電路、模擬開關(guān)電路等組成,其突出特點是轉(zhuǎn)換速度快、電路簡單及輸人信號范圍大,適合構(gòu)建成多路,在傳感器測量系統(tǒng)中有著廣泛地應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:電荷放大器;電流2電流轉(zhuǎn)換器;積分電路中圖分類號:TN722.7文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1
2、00325060(2006)1221609204DesigningmethodofanovelchargeamplifierandLIYong,AIZhu2jun,2(SchoolofInstrumentScienceandOptoelectronic,Hefei230009,China)Abstract:Anovelchargeitisdescribed.Thecircuitmainlyconsistsofacurrent2currentan,ananalogswitchcircuit,andasteadycurrentsourcecircuit.Thecircuits,theoperati
3、onalamplifier,andtheanalogswitcharea2doptedtoconstthechargeamplifiercircuit.Thecircuitischaracterizedbyitshighspeedofcon2version,widerangeofinput(about400pC)andsimplecircuitconfiguration.Theintroducedmethodandcircuitshowsasimpleandlow2costwaytodesignanddevelopmulti2channelchargeamplifiers.Thechargea
4、mplifiercircuitcanbewidelyusedinsensingdevices.Keywords:chargeamplifier;current2currentconverter;integralcircuit電荷放大器作為一種直接將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號的放大器,被廣泛地用做傳感器(例如,壓電1式傳感器,光電傳感器等)的轉(zhuǎn)換電路。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,要求后續(xù)測量電路具有響應(yīng)時間快,信噪比高,電路簡單,利于集成等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的電荷放大器已經(jīng)不能適應(yīng)這種要求。因此,在本文中,介紹了一種自己設(shè)計開發(fā)的新型的電荷放大器。圖1傳統(tǒng)電荷放大器1基本思路與電路設(shè)計以往常用的傳統(tǒng)的電荷放大
5、器的形式如圖1所示。收稿日期:2006210210作者簡介:李勇(1975-),男,安徽淮南人,合肥工業(yè)大學(xué)博士生.2其中,Ca為傳感器電容;Cc為分布電容;Cf為放大器分布電容;Rf是積分電容,為瀉放電阻。由于采用了負(fù)反饋的形式,因此它的輸出表達式為:' 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1610Vst=合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第29卷Ca+Cc+Ci+(1+A)Cf(1)由于(1+A)CfmCa+Cc+Ci,因此輸出Vst只和Q和Cf有關(guān),所以輸
6、出比較穩(wěn)定。這種形式電荷放大器實質(zhì)就是一個電流積分器3,優(yōu)點是精度高,性能穩(wěn)定;缺點是:對輸入信號的頻率不能太高,否則輸出會產(chǎn)生信號堆積;后續(xù)電路比較復(fù)雜,比如要加上峰保持電路成型電路、峰展寬電路等,不適合大規(guī)模的集成;不適合噪聲較高的輸入信號4圖2中,R=RL/Ri,RL為傳感器的偏置電阻;Ri為后接放大器輸入電阻;C=CD+CS+Cl,CD為傳感器電容;CS為分布電容;Cl為放大器分布電容。由(3)式可以看出,通過測量電容上電壓VC,便可實現(xiàn)測量被測量的目的。1.2電路設(shè)計電荷放大器電路主要由以下幾個部分組成,分別是電流轉(zhuǎn)換器、積分電路、積分/保持控制電路、輸出與峰值保持電路。電荷放大器的
7、原理如圖3所示。由于傳統(tǒng)的電荷放大器存在以上不足,因此已經(jīng)越來越不適合現(xiàn)在傳感器對轉(zhuǎn)換電路的要求。針對以上問題,設(shè)計了一種新型的電荷放大器電路,這種放大器直接對傳感器的輸出電流進行積分,轉(zhuǎn)換成電壓輸出,提高了信噪比,并且能夠同時具有成型、展寬和保持等功能。1.1基本思路圖32傳感器輸出的電荷信號,的形式i(t)輸出的。源,其輸出電流),如時間內(nèi)收集的總電荷量為Q,則單果在tt+個電流沖擊脈沖可以由(2)式表示i(t)=lim0(300MHz)運算放大器、高頻晶體管、2個恒流源構(gòu)成的電路,它的主要作用是對輸入信號電流進行電流2電流轉(zhuǎn)換以及抑制共模信號。轉(zhuǎn)換之后的電流信號進入積分電路積分。電流轉(zhuǎn)換
8、電路如圖4所示。(2)式中,Q為傳感器輸出端收集到的總電荷,它與被測量成正比。在實際實驗測量當(dāng)中,電流i(t)在傳感器輸出電路中的電容C上積分,而獲得一個輸出電壓VctVc=C0i(t)d(t)=Q/C=K×(3)其中,K是傳感器的靈敏度;為輸入被測量的大小。傳感器的輸出等效電路如圖2所示。圖4電流2電流轉(zhuǎn)換器在圖4中,三極管連接在運算放大器的輸出端,從三極管的發(fā)射極引到運算放大器反向端構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)回路,這樣可以將三極管視為運算放大器的輸出級,射極輸出靜態(tài)電位為0V,電流轉(zhuǎn)換電路的輸出電流從集電極輸出。電路中的恒流源為三極管提供偏置電流,保證三極管工作在線性區(qū)。恒流源采用鏡像恒流源
9、,上恒流源電流圖2傳感器輸出等效電路© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期李勇,等:一種新型電荷放大器的設(shè)計方法與電路1611I0,下恒流源電流I1比I0略微大一點,以保證三電路之后還設(shè)計了峰值保持電路,這樣在積分輸出信號被保持之后,積分電路便可進行下一次積分,使時間減少了一半,采用一個峰保持芯片smp04來完成這部分功能。2.4積分/保持控制電路該部分電路是為實現(xiàn)積分電路模擬開關(guān)控制、輸出信號峰值保持電路控制而專門設(shè)計的。它的主要功能是為控制積
10、分電路的2個模擬開關(guān)(即積分控制開關(guān)和電荷泄放開關(guān))以及峰值保持電路提供控制信號,下面分別對這2個部分進行介紹。2.4.1積分電路模擬開關(guān)控制電路積分電路模擬開關(guān)控制電路,分別由積分控制開關(guān)控制電路和電荷泄放開關(guān)控制電路組成。其時序邏輯如圖6所示:極管能夠正常工作,一般取I0=500A,I1=620A。于是可定義Ip=I1-I0,通常Ip0,而是接近于0,電流轉(zhuǎn)換電路的輸出電流為kIin+Ip。式中k為一個系數(shù)。為了保證電流轉(zhuǎn)換器有較大的動態(tài)范圍,可以適當(dāng)將Ip調(diào)小一點。需要說明的是,由于Ip的存在,會在積分電路輸出里產(chǎn)生一個臺階5,其大小可以通過調(diào)節(jié)下恒流源(I1)電路中的可變電阻器來改變。
11、2.2積分電路積分電路的功能就是對電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流進行積分,將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電路如圖5所示。圖積分電路原理圖圖6積分電路的控制邏輯時序這是一個采用運算放大器構(gòu)成的積分電路,其輸出電壓為:V0=-CIdtin(4)積分控制開關(guān)控制電路的外輸入控制信號通常稱作積分器的開門信號,在信號處理時,開門信號應(yīng)先于輸入電流信號Iin一定時間到達,并且輸入電流信號Iin在時序上應(yīng)落在開門信號內(nèi)。電荷泄放開關(guān)控制電路主要由電荷泄放開關(guān)控制電路,外輸入控制信號稱作清除信號。這部分電路采用CPLD來構(gòu)建。2.4.2輸出信號采樣/保持控制電路為了對電荷放大器的輸出信號進行采樣/保持,實現(xiàn)電流積分與峰值保
12、持采用了分時進行的方案。這部分電路主要由D型觸發(fā)器、輸出驅(qū)動電路構(gòu)成。采樣/保持控制電路有2個外輸入控制信號,分別稱作采樣信號和保持信號。8在積分電路的輸入端接入一個模擬開關(guān)作為電流積分控制開關(guān),在積分電容C上并接一個模擬開關(guān)作為電荷泄放開關(guān)。積分控制開關(guān)采用了MAXIM公司的高速模擬開關(guān)MAX4614。考慮到電荷泄放的速度,電荷泄放開關(guān)亦采用MAX4614。為了保證電流積分的精度,采用了AD746運算放大器構(gòu)成積分電路,該運放具有很高的輸入116阻抗,高達10。2.3輸出與峰值保持電路為了保證積分電路輸出信號滿足后續(xù)處理電路的要求,并且實現(xiàn)幅度調(diào)節(jié),在電路中設(shè)計了輸出電路,其形式就是一個反相
13、的放大電路如圖5所示。此外,為了提高電路的處理效率,采用電流積分與峰值保持分時進行的方案73結(jié)束語對新型電荷放大器進行測試后得到的數(shù)據(jù),經(jīng)過計算,電荷放大器的最大測量范圍是400pC,積分非線性達到了0.4。因此在輸出© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1612合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)ence,1998,45(1):119-123.第29卷設(shè)計并研制完成的電荷放大器電路,在設(shè)計思想和電路結(jié)構(gòu)方面都有新穎之處,通過實驗室測試,其性能以及各項技術(shù)指標(biāo)
14、均達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。參考文獻1RadekaV,ReciaS,ManfredPF.JFETmonolithicpream2plifierwithoutstandingnoiseJ.IEEETransonNuclearScience,1993,40(4):744-749.2ChristianM,HuangQiuting.Alow2noiseCMOSinstru2mentationamplifierforthermoelectricinfrareddetectorsJ.IEEEJSSC,1997,32(7):968-976.3HuY,SolereJL,LachatreD.Designandper
15、formanceofalow2noise,low2powerconsumptionCMOSchargeampli2fierforcapacitivedetectorsJ.IEEETransonNuclearSci24BinkleyDM,PuchettBS.Apower2efficient,low2noise,wideband,integratedCMOSpreamplifierforLSO/APD2PETsystemsJ.IEEETransonNuclearScience,2000,47(3):810-817.5ChangZ,SansenWM.Low2noise,low2distortionC
16、MOSAMwide2bandamplifiersmatchingacapacitivesourceJ.IEEEJSSC,1990,25(6):833-840.6FabrisL.Afast,compactsolutionforlownoisechargepre2amplifiersJ.NuclearInstrumentMethods,1999,A424:545.7強錫富.傳感器M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.162-196.8鄧智,康克軍.低噪聲CMOS電荷靈敏前置放大器J清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,45(12):1643-1645.朱華新)(上接第1600頁)systemsbas
17、edonseudo2sequentialMonte-CarlosimulationJ.IEEETransactionsonPWRS,1994,9(3):1318-1326.2SilvaAML,MansoLF.Pseudo2chronologicalsimulationforcompositereliabilityanalysiswithtimevaryingloadsJ.IEEETransactionsonPWRS,2000,15(1):73-80.3LeviVA,NahmanJM.Securitymodelingforpowersys2temreliabilityevaluationJ.IE
18、EETransonPowerSys2tems,2001,16(1):29-36.4Reliabilitytestsystemtaskforceoftheapplicationofprob2abilitymethodssubcommittee.IEEEreliabilitytestsystemJ.IEEETransonPowerApparatusandSystems,1979,98(6):2047-2054.5丁明,戴仁昶,劉亞成,等.概率穩(wěn)定性的蒙特卡羅仿真J.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,39(3):79-83.6丁明,李生虎,吳紅斌.電力系統(tǒng)概率充分性和概率穩(wěn)定估項目中進行實際應(yīng)用。軟件基于,采用VisualC+6.,評估、3個獨立的處理模塊。數(shù)據(jù)取自華東年度運行方式,采用夏季高峰基本潮流的BPA格式實時數(shù)據(jù)和可靠性歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù),220kV以上電壓等級側(cè)包含90個節(jié)點,其中有79個負(fù)荷節(jié)點,共有122條線路,46臺發(fā)電機組,在CPU為P42.6G、內(nèi)存為256M的臺式機上計算風(fēng)險指標(biāo)及故障模式和關(guān)鍵設(shè)備排序費時在8min左右,由于10min內(nèi)電網(wǎng)運行方式的變化一般不大,故基本可以滿足大型電網(wǎng)運行風(fēng)險在線評估的要求。日檢修計劃和月檢修計劃的計算時間會根據(jù)檢修方案的不同相應(yīng)發(fā)生改變,仍可基本滿足要求。本軟件為電網(wǎng)實時監(jiān)測評估運行可靠性和合理安排檢修計劃提供了
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 施工方案對工程建設(shè)的經(jīng)濟效益分析
- 跨學(xué)科視角下的情感教育實踐研究
- 音色感知在小學(xué)音樂欣賞中的重要性及其教學(xué)方法
- 藝術(shù)設(shè)計與宗教文化的互動商業(yè)空間的創(chuàng)新之路
- DB3715T 71-2025楊樹退化林修復(fù)技術(shù)規(guī)程
- 二手設(shè)備轉(zhuǎn)讓合同模板
- 2025年雜志宣傳合作協(xié)議(合同)
- 個人房屋買賣合同模板大全
- 二手房銷售合同模板大全
- 個人信用借款擔(dān)保合同范本
- 河北省邯鄲市永年區(qū)2024-2025學(xué)年九年級上學(xué)期期末考試化學(xué)試卷(含答案)
- 2025年閥門和龍頭項目發(fā)展計劃
- 消防員證考試題庫2000題中級
- 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)
- 【蟬媽媽】2024年抖音電商酒水行業(yè)趨勢洞察報告
- 海洋垃圾處理行業(yè)可行性分析報告
- 公共部門績效管理案例分析
- 無人機培訓(xùn)計劃表
- 2025初級會計理論考試100題及解析
- 2024屆高考英語詞匯3500左右
- 2024年-2025年海船船員考試-船舶人員管理考試題及答案
評論
0/150
提交評論