放大器為壓電薄膜傳感器提供信號調理

所述電路提供來自壓電薄膜換能器的熱輸出。該電路是一款高輸入阻抗差分電荷放大器，采用三個運算放大器，采用經(jīng)典儀表放大器配置。差分級抑制電阻產(chǎn)生的熱噪聲，并充當一階高通濾波器。討論了組件值的選擇，并提出了一些典型值。建議使用替代配置來克服一些典型的電路限制。

壓電薄膜（壓電薄膜或壓電薄膜）可以通過多種方式轉換信號：電到機械（例如，揚聲器），機械到電（麥克風）和熱到電（溫度傳感器）。在圖1的電路中，壓電薄膜元件執(zhí)行熱到電和機械到電的轉換。它旨在充當溫度傳感器，并且只是偶然充當麥克風。

圖1.該放大器設計用于提取壓電薄膜傳感器的熱信號。

壓電薄膜傳感器的電氣模擬是與電壓源串聯(lián)的電容器。該傳感器具有高輸出阻抗，需要高阻抗緩沖放大器。所示電路包括一個差分電荷放大器，后接一個差分至單端放大器。差分拓撲可降低線路噪聲拾取，這是高增益電路中的一個問題。

雙通道運算放大器（IC1）賦予差分電荷放大器單電源供電和低電源電流。R1、R2和一個小旁路電容（C3）將輸入共模電壓設置在中間電源電平。

這些電阻產(chǎn)生的熱噪聲不會被差分放大器放大。相反，它在差分輸出端顯示為共模信號，并在下一階段通過共模抑制衰減。由于熱噪聲與電阻成正比，因此這種拓撲結構（通過不放大偏置噪聲）為給定噪聲目標提供了較低的電源電流優(yōu)勢。

差分級的交流增益由C1和C2值設定 相對于傳感器電容（C情 商).在這種情況下，C情 商在 484kHz 時測量 1pF，等效串聯(lián)電阻 （ESR） 為 5kΩ。您可以將傳感器建模為與兩個值為 2C 的電容器串聯(lián)的差分電壓源情 商.R3和R4在高頻下幾乎沒有影響，因為反饋主要由C1和C2的電抗主導。因此，電路的每一半增益為C1/C情 商= 96。

差分放大器還充當一階高通濾波器。為了簡化分析，設 C1=C2=C 和 R3=R4=R。然后，檢查放大器的一半，顯示RC為1/2π極點，增益為C情 商/C 在無限頻率下。交流增益與 C 成正比情 商/C，因此高交流增益意味著小C。在這種情況下，C = 10pF和R = 44MΩ，這導致轉折頻率為360Hz。 R必須非常大才能獲得良好的低頻響應。降低轉折頻率意味著增加R值，但運算放大器在大反饋電阻中流動的輸入泄漏會產(chǎn)生較大的失調電壓。為了抵消這種影響，所示的雙通道運算放大器是CMOS器件，其輸入漏電流很小，僅為1pA。

差分至單端轉換由IC2和電阻R5、R6、R8和R9執(zhí)行。所示值給出的差分增益為20。

線路噪聲抑制取決于C1和C2之間的匹配，但容差嚴格的電容價格昂貴（一般來說，這是差分電荷放大器的缺點）。然而，如果無法獲得完美匹配，電路的一階抑制性能仍然優(yōu)于單端放大器。

在差分至單端轉換器中加入增益會降低共模抑制性能。為避免此問題，可以用單位增益差分至單端轉換器和另一個單端增益級代替差分至單端電路。

示波器顯示器（圖2）展示了該電路的熱釋電（熱檢測）能力。走線的下降是由加熱的烙鐵引起的，該烙鐵在大約六英寸的距離處快速移過傳感器。傳感器的拾音器在此跡線上產(chǎn)生較小的信號。可以通過添加一個復制電路來消除它們，該電路響應相同的環(huán)境聲學噪聲，但不響應熱量。

圖2.烙鐵從圖1中的傳感器經(jīng)過約<>英寸處，導致電路輸出走線出現(xiàn)這種下降。

如果要使用封裝更小的雙通道運算放大器構建該電路，可以考慮MAX4252和MAX4253。這兩款器件均采用超芯片級封裝（UCSP）。它們完全相同，只是MAX4253允許分別關斷封裝中的兩個運算放大器。這些器件單位增益穩(wěn)定，開環(huán)增益為3MHz，盡管它們與圖1所示運算放大器之間的帶寬不同，它們?nèi)詰诖穗娐分泄ぷ鳌５堊⒁?，該電路尚未使用MAX4252或MAX4253進行測試，而是使用圖1所示的運算放大器進行測試。

審核編輯：郭婷