我最近寫了一篇文章，介紹了壓電傳感器的等效電路。它由電流源和并聯電容器組成，并且可以包括并聯電阻器以解釋由壓電材料產生的電荷隨時間減小的事實。

擴增問題

由壓電材料響應機械應力產生的電荷非常小。壓電系數的典型值是每牛頓數十或數百皮克庫姆。一個牛頓是一個相當大的力量，而100微微庫侖是一個微不足道的電荷量。顯然，我們需要一個可以將傳感器電荷轉換為可用信號的放大器。

另一個問題是放大器的輸出電壓與力，壓力或加速度的物理變化之間的數學關系。施加到壓電材料的力與電荷成比例，而不是電流。如果我們將傳感器的電流轉換為電壓，則產生的信號與施加的力變化的速率成比例，而不是與施加的力本身成比例。

如果您已經閱讀了上一篇文章，您就會知道壓電傳感器的等效電路的輸出電壓與施加的力成正比。那么，為什么我們不能簡單地使用電壓放大器呢？嗯，可以使用電壓放大器，但在許多情況下，它不是首選的解決方案。問題是電纜電容。

處理互連電容

上一篇文章中給出的V OUT的表達式如下：

我們在等效電路的背景下提出了這個公式，該電路由電流源和電極產生的并聯電容組成。等式中的“C”指的是該電容，其與壓電裝置的物理結構相關聯，并且據我所知，在典型的操作條件下，表現出有問題的變化。

然而，與傳感器并聯的任何其他電容源將有助于上述表達式中的“C”項; 也就是說，與將壓電器件連接到放大器的電纜相關的額外并聯電容將改變施加力與V OUT之間的關系。傳感器的電容不大（我已經看到數百皮法和低納法拉范圍內的數字）; 因此，電纜電容的微小變化 - 例如由更換或甚至重新布置電纜引起的電容 - 可能對系統產生顯著影響。最重要的是，只有當傳感器靠近放大器電路時才應考慮電壓模式放大。此外，放大器的輸入電容以與電纜電容相同的方式影響電荷 - 電壓關系，因此不同的放大器（即使它們具有相同的增益）也可以產生不同的輸出信號。

到目前為止，這聽起來像是一個麻煩的設計任務，但實際上有一個簡單的電路可以滿足我們的需求。它被稱為電荷放大器。

壓電傳感器用電荷放大器

電荷放大器是具有非常高輸入阻抗的積分器。集成功能將電荷轉換為電壓，高輸入阻抗確保壓電換能器產生的少量電荷不會因泄漏而損失。

充電至電壓

上面顯示的電荷放大器讓我想起了跨阻抗放大器，但在反饋路徑中使用了電容而不是電阻，我認為當你第一次思考這個功能時，這個觀察是有用的。

跨阻抗放大器接受輸入電流并將其乘以反饋路徑中的電阻，這不僅增加了幅度而且還將電流轉換為電壓。電荷放大器做類似的事情，但在反饋路徑中使用電容而不是電阻產生的輸出與瞬時電流成比例，而不是與電流隨時間的累積成比例。換句話說，輸出告訴我們關于電流的積分（相對于時間）而不是給定時刻的電流大小。

在諸如光電二極管放大器的應用中，傳感器的輸出信號是與光強度成比例的電流，我們不需要關于信號積分的信息。然而，對于壓電傳感器，被測量的量與電荷成比例，并且輸入信號是等于電荷導數的電流，因此輸入信號的積分給出了我們需要的信息，即電荷。

這是電荷放大器輸出電壓的表達式：

結論

我希望您現在了解電荷放大器的工作原理以及它們在使用壓電傳感器的系統中的優勢。