電荷放大器作為將壓電傳感器產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為正常電壓信號的有效方法。電荷放大器使用基本積分器拓?fù)?，即反饋路徑中?a target="_blank">電容器產(chǎn)生與輸入電流積分成正比的輸出電壓，反饋路徑中的電阻器可防止放大器飽和。

　　單電源系統(tǒng)
　　輸出電壓將高于和低于連接到同相輸入端子的電壓。如果您的運算放大器有負(fù)電源軌，則可以將該端子接地；如果您使用單電源系統(tǒng)，則通常需要提供偏置電壓。在上圖中，偏置電壓為V CC /2。這是一個合乎邏輯的選擇，因為當(dāng)不存在輸入信號時，輸出將處于電源范圍的中間，因此可用于正負(fù)信號擺幅的電壓最大化。
　　然而，V CC /2 絕不是適合所有設(shè)計的選擇。如果您知道輸出信號的正偏差多于負(fù)偏差，則可以選擇更接近地的偏置電壓。例如，我曾經(jīng)設(shè)計過一個放大器電路，其中輸入信號是脈沖形狀的正偏移，但放大器之前的交流耦合導(dǎo)致脈沖末端出現(xiàn)小的負(fù)偏移。如果我沒記錯的話，我使用了 3.3 V 電源電壓和 0.5 V 偏置電壓。 0.5 V 偏置足以保留負(fù)偏移的特性，并且正偏移的動態(tài)范圍明顯高于我使用 V CC /2偏置電壓獲得的動態(tài)范圍。
　　輸入電阻　　上圖所示的電路可以受益于放置在壓電傳感器和反相輸入端子之間的輸入電阻：

　　該電阻器通過限制可能連接到反相輸入端子的任何電壓產(chǎn)生的電流量來保護運算放大器。我們當(dāng)然不希望壓電傳感器產(chǎn)生危險電壓；相反，這里關(guān)注的是諸如 ESD 沖擊之類的故障。如果您在良好的環(huán)境中操作，并且在使用敏感組件時小心地將自己接地，那么您可能不需要擔(dān)心破壞性電流。但傳感器通常用于危險電氣條件普遍存在的工業(yè)環(huán)境中，在這些情況下，包含保護電路是有意義的。
　　即使您不需要 R IN作為保護元件，您仍然應(yīng)該考慮將其包含在您的電路中。一位 AAC 貢獻者向我解釋說，連接在傳感器和反相輸入端子之間的電阻可以防止與振幅峰值甚至高頻振蕩相關(guān)的問題。他建議電阻在 100 Ω 到 1 kΩ 范圍內(nèi)。
　　頻率響應(yīng)
　　理想化積分器（即反饋路徑中僅具有電容器且沒有輸入電阻器的版本）在低、中和高頻下表現(xiàn)出相同的行為。然而，一旦我們開始添加電阻器，我們就必須考慮電路的頻率響應(yīng)。
　　低頻衰減
　　反饋電阻器 R F使電路在低頻時表現(xiàn)得像高通濾波器。截止頻率計算如下：FHP=12πRFCF
　　反饋電阻不影響增益。因此，您可以根據(jù)系統(tǒng)所需的增益選擇 C F值，然后確定可創(chuàng)建適當(dāng)頻率響應(yīng)的R F值。這里的權(quán)衡是低頻增益與電阻器對電容器放電的能力以及為反相輸入端子提供直流偏置電流路徑的能力。從方程中可以看出，較低的 R F電阻會產(chǎn)生較高的截止頻率，這意味著較低頻率的傳感器信號將被衰減。這就是為什么 R F選擇的值通常非常大的原因 — 1 MΩ 可能是一個很好的起點，根據(jù)所需的低頻性能向下調(diào)整至 100 kΩ 或向上調(diào)整至 10 MΩ。
　　高頻衰減
　　在上一篇文章中，我指出，在許多情況下，壓電傳感器信號的電荷放大優(yōu)于電壓模式放大，因為電荷放大器的增益不受電纜電容的影響。當(dāng)我們加入電阻器 R IN時，這種情況會有所改變。頻率范圍中間的增益仍然與電纜電容無關(guān)，但與反相輸入端子串聯(lián)的電阻與電纜電容相結(jié)合，產(chǎn)生高頻滾降。因此，我們現(xiàn)在有一個高通響應(yīng)（由 R F引起）和一個低通響應(yīng)（由 R IN引起）。
　　以下等式給出了低通截止頻率；請注意，C P包括壓電傳感器的內(nèi)部電容、電纜電容以及與傳感器并聯(lián)的任何其他電容?！　LP=12πRINCP
　　在大多數(shù)情況下，這種高頻滾降不會對電路產(chǎn)生負(fù)面影響，因為截止頻率將遠(yuǎn)高于壓電傳感器測量的物理變化的頻率范圍。但是，最好了解這種影響，如果由于某種原因您有異常大的輸入電阻或并聯(lián)電容，那么這種影響可能會很重要。
　　了解電荷放大器頻率響應(yīng)　　如果您嘗試模擬電荷放大器電路的頻率響應(yīng)，您可能會對結(jié)果感到困惑。例如，我為 C F = 100 nF、R F = 1 MΩ、R IN = 100 Ω 和 C P = 1 nF的電路生成了以下波特圖。

　　該圖顯示低頻下沒有衰減，一個極點在 1 Hz 附近，第二個極點在 1 MHz 附近。考慮到仿真中使用的組件值，這兩個頻率是有意義的，但總體行為與上述頻率響應(yīng)不一致。為了理解這種情況，我們必須記住，就電路作為積分器的功能而言，電路的幅度響應(yīng)與增益響應(yīng)并不相同。理想積分器的頻率響應(yīng)對應(yīng)于一條均勻斜率為 –20 dB/十倍頻程的線。因此，積分發(fā)生在電路的波特圖斜率為 –20 dB/十倍頻程的頻率處，并且當(dāng)斜率偏離該值時，電路的積分器增益會降低。