高度集成的电荷放大器电路论文和设计-杨庆德

全文摘要

本实用新型公开了一种高度集成的电荷放大器电路，封装于压电式传感器的内部，与压电式传感器的压电陶瓷电连接，包括印刷电路板，印刷电路板上设有阻抗转换电路，阻抗转换电路的输出端电连接有高能力驱动电路，阻抗转换电路与高能力驱动电路之间连接有静态工作点钳制电路，阻抗转换电路的负极还电连接有浮地电路；将印刷电路板和各电路设于压电式传感器的内部，实现了电荷放大器的高度集成，在各电路的配合下，实现了把高内阻的电荷信号变为负载能力很强的电压信号，极大提高了抗干扰能力，且电子元器件用量大幅减少，将使用该电荷放大器电路的传感器成本控制在百元以内，有利于压电传感器的大面积推广使用和在物联网构建过程中的使用。

主设计要求

1.高度集成的电荷放大器电路，封装于压电式传感器的内部，与所述压电式传感器的压电陶瓷电连接，包括印刷电路板，其特征在于：所述印刷电路板上设有与所述压电陶瓷电连接的阻抗转换电路，所述阻抗转换电路的输出端电连接有高能力驱动电路，所述阻抗转换电路与所述高能力驱动电路之间连接有静态工作点钳制电路，所述阻抗转换电路的负极还电连接有浮地电路。

设计方案

2.如权利要求1所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述印刷电路板上设有用于电连接所述压电陶瓷的正极输入端子和负极输入端子，用于连接供电电源正极的高电平连接端子，用于输出驱动信号的驱动输出端子及接地端子，所述阻抗转换电路连接在所述正极输入端子和所述负极输入端子上，所述高能力驱动电路的输出端电连接至所述驱动输出端子上；所述浮地电路连接在所述负极输入端子上。

3.如权利要求2所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述阻抗转换电路包括运算放大器U4B，所述运算放大器U4B的正相输入端连接至所述正极输入端子，所述运算放大器U4B的反相输入端连接至所述负极输入端子，且所述负极输入端子与所述运算放大器U4B的反相输入端之间的导线上依次串接有低温漂电阻R1和低温漂电阻R3，所述低温漂电阻R1和所述低温漂电阻R3的连接端与所述运算放大器U4B的正相输入端之间连接有低温漂电阻R2，所述运算放大器U4B的反相输入端与所述运算放大器U4B的输出端连接，所述运算放大器U4B的正电源端电连接至所述高电平连接端子，所述运算放大器U4B的负电源端接地设置。

4.如权利要求3所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述正电源端与所述负电源端之间并联设有电容C1和电容C2。

5.如权利要求4所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述高能力驱动电路包括运算放大器U4A，所述运算放大器U4A的正相输入端通过电容C3电连接至所述运算放大器U4B的输出端，所述运算放大器U4A的反相输入端电连接至所述运算放大器U4A的输出端，所述运算放大器U4A的输出端与所述驱动输出端子连接，所述静态工作点钳制电路连接于所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间的导线上。

6.如权利要求5所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述静态工作点钳制电路包括串联设置的电阻R5和电阻R6，所述电阻R5另一端连接至所述高电平连接端子，所述电阻R6另一端接地设置，所述电阻R5和所述电阻R6的连接端通过导线连接有电阻R4，所述电阻R4的另一端通过导线连接至所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间。

7.如权利要求4所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述浮地电路包括连接在所述负极输入端子与所述低温漂电阻R1之间的耦合电容E13，所述耦合电容E13接地设置。

8.如权利要求1至7任一权利要求所述的高度集成的电荷放大器电路，其特征在于：所述印刷电路板的尺寸小于6mm×6mm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种用于处理传感器检测信号的高度集成的电荷放大器电路。

背景技术

压电传感器以压电晶体作为敏感元件，能自主产生动态范围广阔的电信号，具有体积小、重量轻(一般不超过15g)、频带宽、结构简单、工作可靠等优点。现在已经广泛应用于航空、船舶、桥梁和建筑的振动测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等领域。但压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这给后接电路带来一定困难，要测定这样微弱的电荷的关键是防止导线、测量电路和加速度传感器本身的电荷泄漏。为此，通常把传感器的检测信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，只有在高输入阻抗的条件下，放大器的输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路，把泄漏电荷减少到测量准确度所要求的限度以内。

但是，传统的电荷放大器设计复杂、价格昂贵、体积较大、难于集成，导致传感器和电荷放大器之间不得不采用电缆连接，而电缆连接的最大问题就是产生分布电容，并产生电荷泄漏。尤其是对于压电式粗糙度仪、高速圆度仪这些传感器与线路板之间距离较远且可能发生相对运动的仪器来说，传感器线缆本身还会因为摩擦而产生电荷，对信号采集造成干扰，因此如何避免电荷泄漏、避免传感器线缆产生电荷对信号产生影响，成为提高传感器测量准确度需要解决的重要技术问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种抗干扰能力强、无电荷泄漏，成本低的高度集成的电荷放大器电路。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：高度集成的电荷放大器电路，封装于压电式传感器的内部，与所述压电式传感器的压电陶瓷电连接，包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有与所述压电陶瓷电连接的阻抗转换电路，所述阻抗转换电路的输出端电连接有高能力驱动电路，所述阻抗转换电路与所述高能力驱动电路之间连接有静态工作点钳制电路，所述阻抗转换电路的负极还电连接有浮地电路。

作为优选的技术方案，所述印刷电路板上设有用于电连接所述压电陶瓷的正极输入端子和负极输入端子，用于连接供电电源正极的高电平连接端子，用于输出驱动信号的驱动输出端子及接地端子，所述阻抗转换电路连接在所述正极输入端子和所述负极输入端子上，所述高能力驱动电路的输出端电连接至所述驱动输出端子上；所述浮地电路连接在所述负极输入端子上。

作为优选的技术方案，所述阻抗转换电路包括运算放大器U4B，所述运算放大器U4B的正相输入端连接至所述正极输入端子，所述运算放大器U4B的反相输入端连接至所述负极输入端子，且所述负极输入端子与所述运算放大器U4B的反相输入端之间的导线上依次串接有低温漂电阻R1和低温漂电阻R3，所述低温漂电阻R1和所述低温漂电阻R3的连接端与所述运算放大器U4B的正相输入端之间连接有低温漂电阻R2，所述运算放大器U4B的反相输入端与所述运算放大器U4B的输出端连接，所述运算放大器U4B的正电源端电连接至所述高电平连接端子，所述运算放大器U4B的负电源端接地设置。

作为优选的技术方案，所述正电源端与所述负电源端之间并联设有电容C1和电容C2。

作为优选的技术方案，所述高能力驱动电路包括运算放大器U4A，所述运算放大器U4A的正相输入端通过电容C3电连接至所述运算放大器U4B的输出端，所述运算放大器U4A的反相输入端电连接至所述运算放大器U4A的输出端，所述运算放大器U4A的输出端与所述驱动输出端子连接，所述静态工作点钳制电路连接于所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间的导线上。

作为优选的技术方案，所述静态工作点钳制电路包括串联设置的电阻R5和电阻R6，所述电阻R5另一端连接至所述高电平连接端子，所述电阻R6另一端接地设置，所述电阻R5和所述电阻R6的连接端通过导线连接有电阻R4，所述电阻R4的另一端通过导线连接至所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间。

作为对上述技术方案的改进，所述浮地电路包括连接在所述负极输入端子与所述低温漂电阻R1之间的耦合电容E13，所述耦合电容E13接地设置。

作为对上述技术方案的改进，所述印刷电路板的尺寸小于6mm×6mm。

由于采用了上述技术方案，高度集成的电荷放大器电路，封装于压电式传感器的内部，与所述压电式传感器的压电陶瓷电连接，包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有与所述压电陶瓷电连接的阻抗转换电路，所述阻抗转换电路的输出端电连接有高能力驱动电路，所述阻抗转换电路与所述高能力驱动电路之间连接有静态工作点钳制电路，所述阻抗转换电路的负极还电连接有浮地电路；本实用新型的有益效果是：将阻抗转换电路和高能力驱动电路集成到印刷电路板，并将印刷电路板设于压电式传感器的内部，实现了电荷放大器的高度集成，通过各电路的配合处理，实现了把高内阻的电荷信号变为负载能力很强的电压信号，极大提高了抗干扰能力，且电子元器件用量大幅减少，将使用该电荷放大器电路的传感器成本控制在百元以内，有利于压电传感器的大面积推广使用和在物联网构建过程中的使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的集成结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电路原理图；

图3是本实用新型实施例浮地电路的电路原理图；

图4是本实用新型实施例高电平连接端子与接地端子的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，高度集成的电荷放大器电路，封装于压电式传感器的内部，与所述压电式传感器的压电陶瓷电连接，包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有与所述压电陶瓷电连接的阻抗转换电路，所述阻抗转换电路的输出端电连接有高能力驱动电路，所述阻抗转换电路与所述高能力驱动电路之间连接有静态工作点钳制电路，所述阻抗转换电路的负极还电连接有浮地电路。本实施例的所述印刷电路板的尺寸小于6mm×6mm，可采用0.6mm厚FR4板材，焊盘沉金工艺，利于提高集成度和信号的抗干扰能力。在实际使用时，本实施例集成在传感器内部，而其他的滤波部分、末端功放部分等留在外部线路板上，使电荷放大器高度集成，解决了压电传感器信号的抗干扰传输问题。

如图1所示，所述印刷电路板上设有用于电连接所述压电陶瓷的正极输入端子和负极输入端子，用于连接供电电源正极的高电平连接端子，用于输出驱动信号的驱动输出端子及接地端子，所述阻抗转换电路连接在所述正极输入端子和所述负极输入端子上，所述高能力驱动电路的输出端电连接至所述驱动输出端子上，所述浮地电路连接在所述负极输入端子上。

如图2所示，所述阻抗转换电路包括运算放大器U4B，所述运算放大器U4B的正相输入端连接至所述正极输入端子，所述运算放大器U4B的反相输入端连接至所述负极输入端子，且所述负极输入端子与所述运算放大器U4B的反相输入端之间的导线上依次串接有低温漂电阻R1和低温漂电阻R3，所述低温漂电阻R1和所述低温漂电阻R3的连接端与所述运算放大器U4B的正相输入端之间连接有低温漂电阻R2，所述运算放大器U4B的反相输入端与所述运算放大器U4B的输出端连接，形成深度电压负反馈，大大降低了信号的输出阻抗，提高了驱动能力。所述运算放大器U4B的正电源端电连接至所述高电平连接端子，所述运算放大器U4B的负电源端接地设置。如图3所示，所述正电源端与所述负电源端之间并联设有电容C1和电容C2，所述电容C1和所述电容C2可采用4.7uF的多层陶瓷电容，以保证所述运算放大器U4B的工作的稳定性。

三个低温漂电阻与一个运算放大器配合实现了阻抗转换，其中所述低温漂电阻R1采用100KΩ、1％精度的低温漂精密电阻，所述低温漂电阻R2为20MΩ、1％精度的低温漂精密电阻，所述低温漂电阻R3采用2KΩ、1％精度的低温漂精密电阻，运算放大器U4B可采用Microchip公司生产的MCP6072-E\/MNY。上述连接方式的阻抗转换电路利用了压电传感器内部的寄生电容，构成了一个缓慢放电电路，所述低温漂电阻R2的存在，既避免了电荷的不断累积形成电压误差，又取消了传统电荷放大器中的反馈积分电容，从而避免了因电容自身特性而出现的损耗问题。虽然这种电路不太适合频率较高的电荷信号的转换，但可满足大部分的压电信号尤其是压电式粗糙度仪传感器、高速圆度仪传感器和低频振动传感器的使用。

如图2所示，所述高能力驱动电路包括运算放大器U4A，所述运算放大器U4A的正相输入端通过电容C3电连接至所述运算放大器U4B的输出端，所述运算放大器U4A的反相输入端电连接至所述运算放大器U4A的输出端，所述运算放大器U4A的输出端与所述驱动输出端子连接，所述静态工作点钳制电路连接于所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间的导线上，所述电容C3采用2.2uF的多层陶瓷电容，所述运算放大器U4A的其他端子与所述运算放大器U4B的连接方式相似。所述静态工作点钳制电路与所述浮地电路配合，实现了在单端供电的前提下，双极性信号的放大。

所述运算放大器U4A的反相输入端电连接至所述运算放大器U4A的输出端，形成深度负反馈，实现电压跟随，进一步提高了信号驱动能力，减少了信号的线损，如果没有设置这一级跟随，由于所述静态工作点钳制电路内电阻的阻值比较大，形成的等效内阻也比较大，信号驱动能力就会大大减弱。

具体地，所述静态工作点钳制电路包括串联设置的电阻R5和电阻R6，所述电阻R5另一端连接至所述高电平连接端子，所述电阻R6另一端接地设置，所述电阻R5和所述电阻R6的连接端通过导线连接有电阻R4，所述电阻R4的另一端通过导线连接至所述电容C3与所述运算放大器U4A的正相输入端之间。所述电阻R5和所述电阻R6均采用10KΩ、1％精度的低温漂精密电阻，所述电阻R4采用1MΩ、5％精度的电阻。所述电阻R5和所述电阻R6相连接，其连接点的电位为3.3V的1\/2，也就是1.65V，该连接点与所述电阻R4的一端相连接，然后所述电阻R4的另一端连接到所述电容C3的一端，这样1.65V电位就可以通过所述电阻R4耦合到所述电容C3、所述运算放大器U4A以及所述运算放大器U4B上，将两个运算放大器的静态电位都钳制到1.65V，即为于静态工作点。本实施例的阻容器件采用0402或0201封装，运算放大器采用TDFN封装。

如图4所示，所述浮地电路包括连接在所述负极输入端子与所述低温漂电阻R1之间的耦合电容E13，所述耦合电容E13接地设置。所述压电陶瓷的信号负极PGND采用“浮地”的方式，通过一个4.7uF的电容与系统地GND相连接，与所述静态工作点钳制电路配合，实现信号的放大。

通过本实施例的改进，形成的电荷放大器电路具有以下优点：

1、整个电路可以集成在一个面积为6mm×6mm甚至更小的印刷电路板上，该印刷电路板完全可以集成在很多压电传感器内部。通过本实用新型将传感器内压电陶瓷的高内阻信号转换为低内阻的电压信号，极大提高了信号传输的抗干扰能力，避免了电荷信号在传输过程中受电缆分布电容、电缆长度、线缆的摩擦等方面影响而产生电荷泄漏。

2、该电路采用了封装尺寸为0402或0201的电容和电阻，形成小封装贴片阻容原件，再加上优选运算放大器，大大减小了电路板尺寸，使得电路与传感器压电陶瓷可以高度集成。

3、该电路采用0.6mm板厚的印刷电路板，所用的运算放大器采用TDFN封装的双运放，元器件焊装完成之后，印刷电路板的总重量不超过0.3g，真正实现了电路板的小型化，有利于高度集成。

4、本电路采用高输入阻抗的运算放大器U4B，进行阻抗转换，把高内阻电荷信号转换为低内阻电压信号，并利用利用运算放大器U4A的深度负反馈电路，实现电压跟随，使得电压信号的驱动能力和抗干扰能力进一步增强。

5、本电路采用电阻R5和电阻R6两个分压电阻，获得一个基准电位，并通过一个阻值为1MΩ的电阻R4耦合到运算放大器U4A的同相输入端，并对运算放大器U4B的反相输入端进行电压钳位，而由于信号地PGND和电源地GND是通过电容耦合的，是一种“浮地”的方式，因此PGND的电位基本上是1.65V，这就在单电源供电的情况下实现了双极性信号的转换和放大。

6、由于本电路设计比较巧妙、运算放大器均采用高输入阻抗、低静态电流的MCP6072，使得电荷放大器的成本和功耗大大降低，常规电荷放大器的成本在数百元到数千元不等，而本实用新型的电荷放大器成本可以降低到10元以内，加上传感器后端的滤波部分后，完全也可以控制在30元以内，大大降低了传感器的使用门槛，有利于压电传感器的大面积推广使用和在物联网的构建中远距离信号采集和传输使用。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

设计图

高度集成的电荷放大器电路论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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