引言：本文介紹信號調節的一些原理。我們利用壓電傳感器來闡述這些原理，因為其調節要求綜合使用許多傳統工具，并且此類傳感器具有一些其他類型傳感器所沒有的挑戰。

壓電傳感器

用于感應和激勵的壓電傳感器應用延伸到了許多領域。本文主要介紹對一些物理強度的感應，即加速度、振動、振蕩和壓力，從傳感器及其要求信號調節的角度來看其可以被認為是類似的。就加速度而言，傳感器靈敏度通常被表示為一個與外力即加速度（大多數時候稱作重力加速度g）成比例關系的電荷。然而，從嚴格物理意義上來講，傳感器輸出一個實際由其變形/偏斜情況決定的電荷。

例如，圖1顯示了安裝于頂部位置的一個傳感器，與此同時底部正受到一個外力的拉拽，即Fext.在使用加速計的情況下，固定端（頂部）會粘附在要測量加速度的物體上，同時外力為粘附于另一端（底部）的質量的慣性，而這一端不斷想要保持靜止。就固定于頂端的參考坐標系而言（假設傳感器充當的是一個彈簧，其具有很高的彈簧系數 K），偏斜x會形成一種反作用力：

Fint = Kx （1）

最終，質量（傳感器偏斜）將會在下列情況下停止移動/改變：

Fint = Fext = Kx （2）

圖1 加速度力作用下的傳感器

由于電荷Q與偏斜成比例關系（一階），而偏斜與力成比例關系，因此Q與力也成比例關系。施加一個 Fmax 最大值的正弦力，會形成一個Qmax最大值的正弦電荷。換句話說，當正弦力為最大值時，對來自傳感器的電流求積分可得到Qmax.增加正弦波的頻率，同時會增加電流；但是會更快地達到峰值，即保持積分（Qmax） 恒定。廠商會以傳感器可用頻率范圍內Qmax與Fmax的比率來說明靈敏度規范。但是，由于傳感器的機械性質，傳感器實際上有諧振頻率（可用頻率范圍以上），其中一個即使很小的振蕩力都會產生相對較大的偏轉，從而得到較大的輸出振幅。

如果忽略諧振的影響，則我們可以將壓電傳感器一階建模為一個與傳感器寄生電容（此處稱作Cd）并聯的電流源，或者也可以將其建模為一個與Cd串聯的電壓源。該電壓為存儲電荷時在傳感器陽極上看到的等效電壓。但是，我們需要注意的是，就許多應用的仿真而言，第二種方法要更加簡單一些。如前所述，電流與偏斜變化的速率成比例關系；例如，拿恒幅加速度的正弦AC曲線來說，電流生成器的振幅必須根據頻率來改變。

最后，如果這種生成器需要代表實際物理信號，則可以使用變壓器，如圖2所示。本例中，我們建模了一個具有0.5pC/g靈敏度和500pF寄生電容的生成器。正弦波生成器每單位g輸出1V以實現仿真。變壓器在其次級線圈將它向下調節至 1mV.施加給C1（500 pF）的1mV擺動，將會如我們預計的那樣在下一級注入 Q = VC = 0.5 pC.

圖2 壓電傳感器模型

電荷放大器分析

圖3顯示了經典電荷放大器的基本原理，其可以用作一個信號調節電路。這種情況下，我們選擇電流源模型，表明傳感器主要為一種帶高輸出阻抗的器件。

圖3 用于信號調節的電荷放大器

輸入阻抗

信號調節電路必須具有非低的輸入阻抗，以收集傳感器的大部分電荷輸出。因此，電荷放大器是理想的解決方案，因為只要放大器在這些信號頻率下保持高增益，其輸入便會讓傳感器信號出現虛擬接地。換句話說，如果傳感器的任何電荷想要在傳感器陽極（Cd）或者放大器輸入寄生電容（Ca）上增大，在放大器輸入端就會形成電壓。通過拉或吸取相同量的負反饋網絡電荷電流，即RFB和CFB，這種電壓便立即得到了補償。

增益

由于放大器的信號輸入為虛擬接地，因此輸入電流形成了一種輸出電壓擺動；并且高頻增益由CFB的值設定（RFB 影響減小，在“帶寬”部分后面再進行敘述）。請注意，電容越小，增益越大。增益的近似值為：

還需注意，電路增益根本上并非取決于傳感器的電容（Cd），但最好還是注意該值對噪聲的影響。

帶寬

為了能夠正確地對放大器進行偏置（為放大器輸入偏置電流提供一個DC路徑），一個反饋電阻（Rf） 是必需的。在更低頻率下，反饋路徑的電容電路變為開路，而反饋電阻變為主要電阻，從而有效降低增益。在較高頻率下，電容電路的阻抗變得更小，從而有效消除電阻反饋通路的影響。對AC物理激勵的最終電路響應（包括傳感器的寄生電容）為高通濾波器的響應，其極頻為：

相關信號帶寬由應用決定，因此，降低電容增加增益的同時，也需要增加電阻來保持低極頻。增加電阻會影響解決方案的其他方面。除影響噪聲以外（在“噪聲”部分詳細介紹），電阻越高，實際實現就越難-難在尋找到現成的電阻，以及保證PCB的線跡到線跡寄生電阻大于RFB本身。如果電路規范允許使用幾百兆歐量級的電阻，則表面貼裝電阻馬上就可以使用，并且不要求使用先進的布局技術（例如使用防護頻帶等）。

如前所述，限制電阻值增加的另一個因素是電路偏置。放大器的輸入偏置電流通過該電阻形成輸出偏置電壓。通過選用具有低輸入偏置電流的放大器，例如：FET 輸入放大器等，可以最小化這種電壓。只要反饋電阻器值低于 1GΩ，并且可以利用各級之間的AC耦合來濾波產生的偏置，那么這種放大器的輸入偏置電流（一般低于 100pA）就應該沒有問題。

請注意，由于保持高通濾波器低極頻存在困難，因此在近DC應用中使用壓電傳感器也變得越來越困難（盡管傳感器本身的漏電流非常小）。

盡管并非該放大級的組成部分，但也需要在某處添加一個低通濾波器，旨在降低電路對傳感器諧振頻率下無用信號的響應，同時降低相關頻帶的總數字化和混疊噪聲。