电荷放大器的制作关键

        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。

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fA级别的微电流放大器

        最近加拿大的一个人要购买高灵敏度的电荷放大器ICA100，同时问我能不能做测量至1pA的电流放大器，我设计的电荷放大器里面的芯片可是能够测量到20fA的电流信号的，而且ICA系列电荷放大器的屏蔽盒质地非常好，能保证外界的噪声完全不影响高阻抗输入的运放芯片，因此我将一个电荷放大器改装成10nA/5V的电流放大器，来至于放大器本身的误差典型值只有5fA，而最大值为20fA。

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电缆寄生电容对电荷放大器的影响

        最近清华大学的客户告诉我，我提供的ICA103电荷放大器不能工作。我找来了一个加速度传感器，传感器的电缆非常长而且细，即使不接传感器，仅仅是将这个长长的电缆接到电荷放大器的输入上，放大器的输出就会出现三角振荡波，频率大于350kHz。我换上自己做的较粗的高频同轴电缆，放大器输出就正常了。但是如果在电缆另一端接上一个10pF的电容，放大器就会自激。

        我对比检查了一下我做的电荷放大器的电路和另一个振动控制器里面的电荷放大器的电路，发现他们的电荷放大器输入端串联了一个22千欧姆的电阻，而我当初设计ICA系列电荷放大器的时候，取消了这个输入电阻，因为这样会使放大器的高频频响变低，而且这样的电荷放大器实际上是接近为一个积分放大器了，传输电缆上的电容和传感器的电容影响将因为积分放大器的效应而产生误差。

       我测试了ICA103,ICA102和ICA100三种电荷放大器，发现越是低灵敏度的放大器，越容易因为输入端的电容过大而自激，反而高灵敏度的ICA100放大器不会自激。使用一个100欧姆的电阻刚刚够消除ICA102放大器自激振荡，而ICA103则需要50千欧姆。所以我改造了一个ICA102的电荷放大器，输入串接一个1千欧姆的电阻，寄送给清华的客户，同时建议他们以后使用高灵敏度的电荷放大器配合低灵敏度的加速度传感器。实际上低灵敏度的加速度传感器比高灵敏度的要便宜800~1000块钱，而ICA100只比ICA103贵300块钱而已。不需要串联电阻防止自激的ICA100可以在较宽的频带范围内得到更准确可靠的测试数据。

       使用电荷放大器时，尽量使用较短和较粗的同轴电缆，减小寄生电容造成的自激和误差。同时传感器本身的电容也要选择尽量小的。

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无所不用其极的精密微电弧焊机制作过程

       最近一个星期都在测试ISW200微电弧焊机的原型，把原来制定的方案全部推翻了两遍。无论是高压引弧还是低压电流控制，都在不断的试验中，一次次发现新的方案。

       最初是用高压和低压串联方式，但是当引弧完成后，穿过16KV的高压二极管上的低压电流要白白消耗15V的电能，20A的条件下，就有300W的发热量！后来取消高压二极管，用串联的高压脉冲变压器，实际国内很多氩弧焊机就是这样的，但是低阻值的高压脉冲变压器的瞬间电流有1000A之巨，虽然能量不过2焦耳，但是我还是很担心操作者的不愉快感觉。今天做试验的时候，被高压电容上的存电从右手击穿至左手，我的心脏都室颤了！！！。我们一直讨论要搞一头活猪来，试试它被高压脉冲变压器的次极电流击中的感觉如何，后来说这年头猪金贵，要不去楼下墙洞里掏只老鼠试试。

       OK，终于还是找到更好的方法，将高压和低压面对面并联，同时高压放电回路上串联500M欧姆的高压电阻，输出的引弧电流虽然有上万伏特，但是流出来的电流只有20uA，连麻麻的感觉都没有，就是只蚊子也电不死了。

       ISW200微电弧焊机最大工作功率有1200W，其中机器本身就要消耗50%的功率，而使用的机箱确是400mm*300mm*120mm的漂亮的白色仪器机箱，500块钱的机箱，可不是做烤箱用的，放不下笨重的大型铝散热模块，所以选择用热管散热器或者水冷散热器。最终还是高效的水冷散热器合我心意，安装在机箱后面板上，把内部的热量全部吸收出去。当然，代价是要付出700块钱买水冷散热器外加花钱定做吸热板。估计总共下来不少于1200。

       这几天为这个设备忙死了，每一个零件都仔细挑选，每一个电路都反复斟酌，光是为了高压发生器就考虑了两天，最终还是放弃用电视机的高压包而定做高压变压器，就是担心可靠性可能不够好。为了高压引弧电路还专门设计了高压雪崩放电器，用惰性气体保护放电电极，即使放电数亿次，也不会有损坏。

       弧焊机的干扰和高压脉冲冲击是非常大的，这几天的试验下来，打坏的DSP芯片，高级运放，Holleywell的电流传感器和IGBT模块就有几千块钱了。所以内部除了功率器件以外，所有数字控制电路和模拟控制电路都用专门设计的铜屏蔽盒保护起来，内部的信号连线也都用镀金的SMB同轴屏蔽插头线连接。一根控制信号线就要50块钱啦!

        下周开始设计电路图和PCB板，我把触摸屏、CAN总线、USB连接、通用和专用输入输出控制接口都做进去了，甚至还做成两通道焊接结构，带电阻检测。就是说一个线圈焊接完成后，ISW200可以自动检测线圈两个引脚之间的电阻值，如果电阻值不符合设置，将发出报警信号。比欧美和日本做的机器先进多了。

        等PCB板发出后，在陆续拍照给大家看看。

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我做的电荷放大器比国外的好五倍

        06年为北大物理学院陈老师制作的电荷放大器，因为灵敏度不够，噪声偏大，不适合她进行的物理实验。她仍然采用国外进口设备上的前置放大器。今年我终于制作出高灵敏度低噪声的电荷放大器，送给她测试使用。昨天她告诉我，我的电荷放大器比进口设备上的前置放大器的效果要好，输出信号较之提高了5.5倍。（突然想起人权好五倍的事情，心里不是个滋味）

        感觉很开心，虽然设计制作电荷放大器花了很多精力和金钱，从经济的角度来说是亏本亏大了，但是我们研究技术的人，不就是以达成技术上的进步为志吗？要是以赚钱为目标，则做技术是最蠢的一条途径。其实国外的产品并不是难以超越，实在是我国做技术研究的人，太缺乏钻研了，不能够纯粹地为技术而研究技术。

        心存理想的同学们，努力吧。

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ISW200微电弧焊机开发中...

相信很多朋友见过国外的一些微型线圈，导线和引脚之间的焊接不是用焊锡，而是神奇地烧熔成一个融化的铜球。这样的焊接方法，使得细线线圈的焊接可靠性大大提高，因为是同种金属之间熔接，不存在热涨冷缩的问题，这样线圈焊接处，无论低温-40°还是高温200°，都不会出现虚焊和断线。而且不需要使用焊锡，既环保又节省。

最初我以为这种是用激光焊接的，后来才知道是使用一种叫微电弧焊的设备，在数十毫秒的时间里，用电弧将铜引脚熔化，瞬间的温度高达3000~5000摄氏度，而热影响的区域非常小，连PBT塑胶的骨架都不会被熔化。

这样的精密微电弧焊设备国内还没有人能制造，天工精仪正在开发这样的精密微电弧焊接设备，目前原理性实验已经成功将引脚端烧熔成一个铜球，并使0.03mm的漆包线焊接在熔化的铜球上，一致性非常好，一次焊接成功率居然是100%，我自己都没想到会这么顺利。

第一台微电弧焊样机的型号为ISW200，意思为ingenious spark welding，200表示最大持续焊接电流为20A。实际我的第一客户需要用这台焊机焊接一个引脚直径为0.6mm的线圈，焊接电流设置到5A，焊接时间设置到70ms就可以了。所以我估计ISW200将适用于引脚直径在2.0mm以下的铜引脚。

现在我们在设计电弧焊接的电源部分和控制部分，计划在7月份制作出第一台样机，有需要的朋友可以提前和我们联系。szingenious@163.com

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灵敏度极高的电荷放大器ICA100

沿用ICA103的设计结构和屏蔽外壳，天工精仪成功制作出灵敏度为100mV/pC的电荷放大器，当内置的后级电压放大器设置为1倍时，输出噪声小于2mV。当然，前提条件是，这个电荷放大器需要用电池供电，否则微小的电源耦合噪声足以在输出端造成50mV的噪声，在示波器上可以看到50Hz有畸变的波形。

用电池供电条件下，将ICA100的后级放大器设置为100倍时，输出端噪声信号大约为10mV。

有客户做岩石的压电系数，想要用这个电荷放大器，需要提示的是，信号线通道一定要彻底屏蔽，不可以有一点点露在空气中，哪怕只是5mm的输入信号引线没有被屏蔽，感应到的50Hz交流电场也足以使输出噪声巨增。

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ICA103电荷放大器正式版

近期很多朋友询问电荷放大器的问题，一般都是50Hz噪声过大，把真正的信号都淹没掉。我看了他们发过来的电路图，电路结构并没有什么问题，按照我的经验，PCB板的工艺，元器件的品质，制作的工艺和放大器整体屏蔽的效果基本上就决定了一个电荷放大器的性能。因此我们经过多次修改实验后，专门开默模具制作了屏蔽盒，定做采购了一批电荷放大器专用的电阻、电容和芯片。制作了一批共50个精密电荷放大器。主要是ICA103型号的。反馈电容10000pF,灵敏度0.1mV/pC。因为电荷放大器内置一级放大倍数为1~101的可调电压输出放大级，所以整体的电荷转换灵敏度可以为0.1mV/pC~10mV/pC。

这次专业制作的产品，效果比以前手工制作的要好得多，用示波器测量输出信号噪声都在1mV以下，因为示波器本身的噪声也在1mV左右，所以实际上我测不出噪声到底有多低。这次的电荷放大器也没有50Hz耦合噪声的问题，输出完全不会有低频漂移，说明反馈电容和运放的质量非常好。

非常感谢为我们制作电容的工厂，提供的电容不仅噪声小，连电容值都非常准，基本上都不需要标定了，装上去的电荷灵敏度直接就是1.03mV/pC,和理论值仅差3%。我们又测试了用1000pF和100pF的反馈电容，输出依然很稳定，没有漂移。下一步我就要向超高难度的10pF 和1pF挑战了。这样的电荷放大器，估计得用真空作为绝缘体了。

如果有需要电荷放大器的朋友，请联系szingenious@163.com，我们的电荷放大器是一个专门的电荷转换模块，没有过多的功能，也因此将电荷放大器的重要精华集中到模块之中，并且做到价格最低化。

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自动化控制器（Automation Controller）

        最初的工业电气控制是利用大量的继电器和延时继电器来实现，我16岁时跟父亲一起去修理的一台工业电梯就是这样的东西，这台只有四层的工业电梯的控制铁箱里面是十几个不同种类的继电器和数百根连接线。

        后来出现PLC，采用软件继电器的形式实现自动化电气控制。至今PLC任是工业电气控制中的主流。

        但是，很多机械工程师并不理解编程的思想，也不太懂继电器的原理，一旦遇到有关电气控制的问题，就非得求助于电子工程师。如果有一种非常方便的工具，能够像在纸上写出一样的方便，把电气自动化控制程序做出来，该是多么的美好。

       天工精仪为此推出了自动化控制器。自动化控制器是一种可以通过PC软件编写控制逻辑的单片机电路器件，针对自动化控制的特点，这种控制器能够直接连接绝大多数传感器和执行器，而编写控制逻辑的方式也是非常直观易懂的流程图形式，即使完全没有编程理念的机械工程师，也能轻易地设计控制器的逻辑，实现自动化控制。自动化控制器价格也非常低廉，只有低档PLC的1/3。

        终于，我们机械工程师可以摆脱编程的束缚，轻松地将我们的想法实现。不再依赖单片机或者PLC。

       我将这种器件命名为IAC(ingenious automation controller)，第一款IAC的型号是IAC1104。我那个文科毕业的太太也觉得，这样简单的编程，她也会。下面是一个气动装配机的控制器程序。

          IAC1104有8个输入端口和12个输出端口，每个输入端口可以直接连接常用的NPN输出型传感器，而每个输出端口都可以直接驱动最多60V,1.5A的负载。IAC1104的供电电源从5V~48V都可以，有完善的保护措施，即使电源接反了也不会损坏。 

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今天制作电荷放大器

        上周北京大学物理学院一位老师联系我，请我帮她做一个电荷放大器，来替代国外的一台仪器上的电荷放大器。报价过去，她立即就汇款过来了，还很热心地拍了国外仪器上的电路的图片给我做参考。一年前设计开发正弦振动控制器的时候，研究过高精度的电荷放大器，现在还留下了一些材料，正好派上用场。

        马上请姚工帮我画PCB板，第二天就发出去打板。因为设计的电荷放大器频响指标非常高，放大器的输入阻抗也非常高，非得要屏蔽盒严密屏蔽不可，幸好以前的同事帮我找来了两张薄铜板，今天可以用来制作屏蔽盒。

         今天一早去赛格买了根屏蔽线，回来就开始手工制作屏蔽盒。关键时刻连个钢尺都找不到，只好用游标卡尺在铜片上划出记号，再用螺丝刀在铜片上刻出深深的痕迹，最后用剪刀小心地剪出来。效果比想象要好，因为有刻痕引导，剪出来的铜片跟冲裁出来的一样，非常整齐。

          铜盒做好后，把电路板封闭在里面，焊好。就等周一去公司用高级的仪器调校了。

          姚工发来邮件，是另一个已经做好的电荷放大器的测试结果，频响非常好，2Hz～5，000Hz的频响误差最大不过2％，测试的仪器本身的误差也就是2%，所以电荷放大器的频响误差应该用更精密的仪器去测，才知道是多少。

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