1高阻抗运放的选取原则
超声波传感器内部结构是压电晶体，当压力传感器受力后产生极其微弱的电荷量，这给后接电路带来一定困难[4]，因此我们需要设计一个新型的电荷放大器。先要把压电传感器发出的信号先输入到极高输入阻抗、极低的偏置电流和带宽宽的电荷放大器中。只有在极高输入阻抗的条件下，电荷放大器的输入端几乎没有分流作用，因此运算电流都流入反馈回路，只有这样电荷量的泄漏才能减少到我们所要求的范围之内[5]。根据上面叙述集成运放的选择要求，设计时我选用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606芯片主要参数进行了对比（如表1所示），并进行了相关的仿真，经过综合对比验证选用了AD8606这款芯片作为电荷放大器的芯片。
2电荷放大器电路的设计
图3为本文设计实际电荷放大器仿真电路图。图中，电荷放大器内部只能做到非完全补偿，势必会产生自激振荡，在运算放大器中接入由电容C1组成的补偿电路，可以消除自激振荡。新型电荷放大器电路可以看作是一个电容负反馈增益积分放大器，所以电荷放大器反馈电容C9的选择必须与积分网络的反馈电容基本要相同[6]新型电荷放大器输出灵敏度是通过调节电荷放大器的反馈电容C9来实现的。要求反馈电容C9的值不能取太小，否则分布电容会产生很大的影响；但是反馈电容C9的值也不能取太大，否则漏电太大。电荷放大器是采用了电容负反馈，所以电荷放大器对直流工作点相当于开环，导致零点漂移较大；为了减少零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个积分漂移泄漏电阻R5（1012以上）做反馈，提供直流反馈，以保持电荷放大器电路正常工作[7]。
3仿真与分析
本文采用Multisim12仿真软件对电荷放大器电路进行仿真测试。仿真电路主要有两个目的：第一，要注意电荷放大器在不同信号强度下延时变化情况。第二，同时要求检测信号通过电荷放大器放大的效果。因为时间测量的精度决定了超声波气体流量计传播时间的测量精度，所以要求在不同的电流强度下，看信号相位差变化大小。相位差测量方法一般有阈值法、峰峰值测量法和过零检测法。阈值法是先假定一个值，当信号都经过这个值时作为测量的依据，但是在不同信号强度下的电流，电压值在不停的变化，我们根本无法用阈值法来测量小信号相位差。峰峰值测量法是测量两个波形的最大正值或是最大负值。然而对于小信号用峰峰值进行测量时，噪声会对峰峰值检测会产生很大的影响，这个测量方法虽然简单，但是准确度不是很高。过零检测法是一种经典的调制域分析方法,通过测量两个同频率信号过零的时间差，从而确定电荷放大器的时间延时，如图4所示。此方法简单可靠，实用性强，能够实现高精度测量。本文采取以第二波过零为基准来测量时间延时的大小。用Multisim12仿真电荷放大器在不同的信号强度下测得时间延时的大小，如表2所示。根据表1的数据，用MATLAB编写信号强度与时间延时曲线图如图5所示。如图5所示，电荷放大器的延时时间会随着信号强度呈指数规律衰减，因此电荷放大器引起延时变化很大，故对实验测量的结果造成严重的影响。为了克服这一缺陷，需要设计一种增益补偿电路来提高测量超声波气体流量计传播时间的精度。我们设计的时间增益补偿电路如图6所示。主要是利用通滑动变阻器和电荷放大器来实现增益补偿。压电传感器发射超声波信号具有连续性，根据每次接收到超声波信号的强弱来调整滑动变阻器的阻值，使电荷放大器的延时保持在一个固定值。这样可以保证每次检测信号通过电荷放大器的延时都是一样，提高测量的精度。所以只要选择合理的芯片和反馈电阻的大小，使前面的曲线下降和后面的曲线上升，就可以实现增益补偿的目的，这样就可以很好的补偿电荷放大器造成的时间延时[8]。在图6中，在不同信号强度下电流的大小，通过调节可变电容与可变电阻使得电荷放大器延时保证一致。如表3所示。根据表2的数据，通过MATLAB编写补偿后时间延时曲线图如图7所示。由图7可知，信号通过增益补偿后不论通过电荷放大器信号强弱，时间延时都是相等。这样使得测量时间更加精确。信号在200kHz，1μA条件下，通过电荷放大器和滤波器电路以后的波形如图8所示。由图8我们可以看到信号经过电荷放大器放大的波形的效果很好，原始信号的电压值大约在300多μV,而放大后的信号大概在20mV左右。
4实际应用效果
由于仿真为实际应用提供了可靠的理论基础，电荷放大器在实际应用效果很好，图9就是信号放大后通过示波器得到的实际波形，由图9可知杂波干扰基本是在200mV以内，信噪比很高。
5结束语
本文设计的电荷放大器是针对超声波气体流量计小信号的放大。信号在经过电荷放大器时时间延时是变化，因此增益补偿是电荷放大器电路中一个重要的部分，本文给出了一种补偿增益电路设计方案，通过实验表明它具有很好的增益补偿效果。
作者：蔡清海 杨鸣 吴正管 单位：宁波大学信息科学与工程学院 宁波市医用光电仪器省级工程技术中心
