电荷放大器，如同其字面意思一样，是一种对电荷进行放大的器件，主要由电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源等几大部分构成。下面我们就来详细讲述这几大部分在放大电荷的过程中分别完成的是什么功能?扮演的是什么角色?

　　二、电荷放大器原理- -结构

　　电荷放大器主要由电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源这几大部分构成，其各部分所完成的功能如下：

　　电荷变换级，电荷放大器的第一部分，其输入的是高阻抗低噪声信号，运用的是低漂移宽带精密运算放大器。其反馈电容Cf1具有101pF、102pF、103pF、104pF四个档位，反馈到输入端后的有效电容可通过公式C =(1+K)Cf1计算得出(其中，K为开环增益，常取106倍)。

　　低通滤波器，电荷放大器的第二部分，一般情况下使用的是二阶巴特沃斯有源滤波器，其具有通带平坦、结构简单、操作方便等特点，且对高频干扰信号的消除具有较高的可靠性。

　　高通滤波器，电荷放大器的第三部分，一般情况下使用的是二阶无源高通滤波器，可对低频干扰信号进行有效的滤除。

　　末级功放，电荷放大器的第四部分，主要用于完成对有用信号的放大。

　　电源，不是电荷放大器串联流程中的一部分，但却是其工作所不可缺失的，主要用于为电荷放大器提供能量。其将220V电压经降压、整流、滤波、稳压等几个环节后得到电荷放大器工作所需的15V电压。

　　三、电荷放大器原理

　　电荷放大器的原理图如下所示，其中，Q为压电晶体在外力作用下产生的电荷，Ca为传感器的级间电容，Cc为传感器的传输电缆的电容，Gc为输入电缆的漏电导，Ci为电荷放大器的输入电容，Gi为电荷放大器的输入电导，Cf为电荷放大器的反馈电容，Gf为电荷放大器的反馈电导，Ud为运算放大器反向端产生的差动电压，U0为电荷放大器的输出电压。

　　因此根据该原理图可得：

　　Qa=Ud×Ca(Qa是电容Ca中存在的电荷);

　　Qc=Ud×Cc(Qc是电容Cc中存在的电荷);

　　Qi=Ud×Ci(Qi是电容Ci中存在的电荷);

　　U0=-Ud×A(A为该运算放大器的开环系数)

　　=>Ucf=Ud-U0=Ud(A+1)(Ucf为电容Cf两端的电压)

　　=>Qf=Ucf×Cf=Ud×(A+1)Cf(Qf是电容Cf中存在的电荷);

　　Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)

　　=>Ud=Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf)

　　=>U0=-Ud×A=-A*Q/(Ca+Cc+Ci+(A+1)×Cf);

　　忽略数量级较小的参量可得U0=-Q/Cf;

　　因此可根据传感器的量程、电荷灵敏度、反馈电容大小来计算最大的输出电压。

　　四、电荷放大器原理- -应用

　　电荷放大器常用作存储测试系统中，单独作为一个模块存在，如下图(存储测试系统模块图)所示。电荷放大器作为该测试流程中的一个串联环节，一旦其出现问题，对产品的整个测试将无法完成。

　　制作一个高质量的电荷放大器确实非常困难，首先要选取最合适的芯片，为什么一般的运放不适合做电荷放大器呢?因为电荷放大器的反馈电阻非常大，通常在150M欧姆以上，如果要制作频带响应非常好的电荷放大器，则反馈电阻必须在1G欧姆以上，甚至可能到200G欧姆。而低噪声的OP37放大器的偏流在15nA左右，足以在1G欧姆(我通常用1G欧姆的反馈电阻)的反馈电阻上产生15V的输出偏压!!!所以一般要使用JFET输入型的运放，输入偏流在30pA的LF356适合做一般性能的电荷放大器，1G的反馈电阻导致450mV的输出偏压是可以通过电容隔直耦合消除的。所以我见到过很多国产的电荷放大器里面使用这款芯片。

　　但是还有一个重要的因素是电荷放大器的电流噪声，我不喜欢用LF356做电荷放大器，因为它的电流噪声仍然有0.01pA(仍然是1G的反馈电阻)，这样在输出至少因为运放的电流噪声较大的输出噪声。我们制作的ICA系列电荷放大器里面的芯片，电流噪声只有0.13fA，好一百倍。

　　即使用最好的芯片，噪声电流仍然会从电路板的四面八方传导过来，因为电路板的绝缘电阻已经显得不太绝缘了。用短路环保护运放的输入端非常必要，即使如此，可恶的噪声电流还是会通过pcb表面的污渍爬过来，比小强还顽固。电路焊接完成后，必须彻底清洗，我甚至用低温等离子火焰将器件表面的可能残留的污渍清理掉。

　　接下来是屏蔽，我曾经试过用薄薄的pcb板的下表面整面覆铜接地，而上表面用铜片焊接成一个封闭的盖子。但是实际上辐射电波可以穿透PCB铜箔影响到放大器的噪声，后来的ICA系列电荷放大器是专门定做了较厚的屏蔽盒，才完全屏蔽外界辐射干扰。

　　特殊的高阻值电阻和性能稳定的电容是做好一个性能稳定，增益准确的电荷放大器的关键，通常的聚丙烯薄膜电容已经是质量非常好的了，用于滤波和分频电路可以得到不错的效果，但是如果你将一个1微法的聚丙烯薄膜电容握在手心里面测量，会发现电容量很快增加到2微法!完全不适合作为反馈电阻。我见过国产的手持式振动测试仪里面，就是用红色的聚丙烯薄膜电容，真不知道他们是怎样检验自己的仪器|仪表的准确性的。

　　如果你也想制作一个好的电荷放大器，一定要做足功课，否则还不如直接用电压放大器来检测加速度传感器的信号，未必误差会大于一个没有仔细设计调试的电荷放大器。