一种信号处理设备及其降干扰的电荷放大器的制作方法

1.本实用新型涉及电路技术领域，特别是涉及一种信号处理设备及其降干扰的电荷放大器。


背景技术：

2.经典的差分电荷放大器由于正、负电荷放大器的参数不对称、热失调等原因，会导致工作点大幅度漂移，并且当压电敏感器件独立安装于电荷放大器的远端时，环境中的共模干扰极易通过连接压电敏感器件的电缆与干扰电场之间的分布电容cz1、cz2，进入后级的电荷放大器，干扰信号可能直接使电荷放大器输出限幅。并且，当传输压电敏感器件的电缆与外部干扰源的分布电容不对称时，还会产生差模干扰。
3.目前，是通过提高器件精度，增加滤波器等方式减小低频差模干扰，但是成本较高，无法广泛应用在工程化过程中。此外，滤波器在抑制低频差模干扰时会提高低频响应频率，即会缩小带宽。
4.综上所述，如何有效地降低共模干扰和差模干扰，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种信号处理设备及其降干扰的电荷放大器，以有效地降低共模干扰和差模干扰。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种降干扰的电荷放大器，包括：
8.反相输入端作为正电荷输入端并且分别与前级电路和第一电容的第一端连接，同相输入端作为参考端并与第二运放的同相输入端连接，输出端与所述第一电容的第二端连接的第一运放；
9.反相输入端作为负电荷输入端并且分别与所述前级电路和第二电容的第一端连接，输出端与所述第二电容的第二端连接的所述第二运放；
10.所述第一电容，所述第二电容；
11.第一输入端与所述第一运放的输出端连接，第二输入端与所述第二运放的输出端连接，第三输入端与所述参考端连接，用于进行差分电压求和的差分叠加电路；
12.输入端与所述差分叠加电路的输出端连接，输出端与所述第一运放的反相输入端连接，用于通过负反馈抑制差模干扰的差模负反馈电路；
13.第一输入端与所述第一运放的输出端连接，第二输入端与所述第二运放的输出端连接，第一输出端与所述第一运放的反相输入端连接，第二输出端与所述第二运放的反相输入端连接，用于通过输出的负反馈电流降低共模输入电流的共模负反馈电路。
14.优选的，所述差模负反馈电路包括：
15.第一端与所述第一运放的反相输入端连接，第二端与所述差分叠加电路的输出端
连接的第五电阻。
16.优选的，所述差模负反馈电路还包括：
17.第一端与所述第五电阻的第二端连接，第二端与所述差分叠加电路的输出端连接的第六电阻；
18.第一rc电路，所述第一rc电路的第一端分别与所述第五电阻的第二端和所述第六电阻的第一端连接，所述第一rc电路的第二端与所述参考端连接。
19.优选的，所述第一rc电路包括：
20.第一端作为所述第一rc电路的第一端，第二端与第七电阻的第一端连接的第三电容；
21.第二端作为所述第一rc电路的第二端的所述第七电阻。
22.优选的，所述差分叠加电路包括：
23.第一端作为所述差分叠加电路的第一输入端，第二端与第三运放的同相输入端连接的第八电阻；
24.第一端作为所述差分叠加电路的第三输入端，第二端与所述第三运放的同相输入端连接的第九电阻；
25.第一端作为所述差分叠加电路的第二输入端，第二端与所述第三运放的反相输入端连接的第十电阻；
26.第一端与所述第十电阻的第二端连接的所述第十一电阻；
27.输出端与所述第十一电阻的第二端连接，且连接端作为所述差分叠加电路的输出端的所述第三运放。
28.优选的，所述共模负反馈电路包括：
29.第一端与所述第一运放的反相输入端连接，第二端分别与第二电阻的第一端、第三电阻的第二端以及第四电阻的第一端连接的第一电阻；
30.第二端与所述第二运放的反相输入端连接的所述第二电阻；
31.第一端与所述第一运放的输出端连接的所述第三电阻；
32.第二端与所述第二运放的输出端连接的所述第四电阻。
33.优选的，还包括：
34.设置在所述前级电路与所述第一运放的反相输入端之间的第二rc电路；
35.设置在所述前级电路与所述第二运放的反相输入端之间的第三rc电路。
36.优选的，所述第二rc电路包括第四电容和第十二电阻，所述第三rc电路包括第五电容和第十三电阻：
37.所述第四电容的第一端作为所述第二rc电路的第一端并与所述前级电路连接，所述第四电容的第二端与所述第十二电阻的第一端连接，所述第十二电阻的第二端作为所述第二rc电路的第二端并与所述第一运放的反相输入端连接；
38.所述第五电容的第一端作为所述第三rc电路的第一端并与所述前级电路连接，所述第五电容的第二端与所述第十三电阻的第一端连接，所述第十三电阻的第二端作为所述第三rc电路的第二端并与所述第二运放的反相输入端连接；
39.当所述第四电容的第一端与所述第一电阻的第一端连接时，所述第五电容的第一端与所述第二电阻的第二端连接；当所述第四电容的第二端与所述第一电阻的第一端连接
时，所述第五电容的第二端与所述第二电阻的第二端连接；当所述第十二电阻的第二端与所述第一电阻的第一端连接时，所述第十三电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接。
40.优选的，还包括：第六电容和第七电容；
41.所述第六电容的第二端分别与所述第七电容的第一端、所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端，所述第三电阻的第二端以及所述第四电阻的第一端连接；
42.当所述第六电容的第一端与所述第四电容的第一端连接时，所述第七电容的第二端与所述第五电容的第一端连接；
43.当所述第六电容的第一端与所述第四电容的第二端连接时，所述第七电容的第二端与所述第五电容的第二端连接；
44.当所述第六电容的第一端与所述第十二电阻的第二端连接时，所述第七电容的第二端与所述第十三电阻的第二端连接。
45.一种信号处理设备，包括如上述任一项所述的降干扰的电荷放大器。
46.应用本实用新型实施例所提供的技术方案，考虑到差分叠加的方式可以消除共模干扰，但是当共模干扰超出运放的共模输入范围时，就会在差分输出端，即差分叠加电路的输出端产生有害的差模信号。因此，本技术的方案中设置了共模负反馈电路，具体的，共模负反馈电路的第一输入端与第一运放的输出端连接，第二输入端与第二运放的输出端连接，第一输出端与第一运放的反相输出端连接，第二输出端与第二运放的反相输出端连接。共模负反馈电路可以使第一运放、第二运放输出的共模电压降低，也就使得差分叠加电路通过差分输出，能够更加有效地剔除共模干扰，即本技术的方案通过共模负反馈电路的设计可以有效地降低最终输出的共模干扰信号。与此同时，本技术的方案设置了通过负反馈抑制差模干扰的差模负反馈电路，并且，本技术的方案中，取消了电荷放大器中的负反馈电阻的设计，从而有利于提高低频响应，即本技术的正电荷放大器由第一运放和第一电容构成，负电荷放大器由第二运放和第二电容构成，因此简化了结构，且有利于提高低频响应。电荷放大器中原本设计的负反馈电阻能够稳定直流工作点，本技术取消了负反馈电阻的设计之后，由于设计了差模负反馈电路，差模负反馈电路的输入端与差分叠加电路的输出端连接，输出端与第一运放的反相输入端连接，因此通过差模负反馈电路可以稳定直流工作点。综上所述，本技术的方案可以有效地降低共模干扰和差模干扰，并且结构简单。
附图说明
47.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第一结构示意图；
49.图2为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第二结构示意图；
50.图3为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第三结构示意图；
51.图4为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第四结构示意图；
52.图5为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第五结构示意图；
53.图6为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第六结构示意图；
54.图7为本实用新型中降干扰的电荷放大器的第七结构示意图；
55.图8a为电荷放大器直流工作点电压偏移的情况下，本技术的降干扰的电荷放大器稳定直流工作点与抑制共模、差模干扰的波形示意图；
56.图8b为电荷放大器直流工作点电压偏移的情况下，传统的电荷放大器在各个检测位置的波形示意图；
57.图9a为本技术的降干扰的电荷放大器的幅频曲线示意图；
58.图9b为传统的电荷放大器的幅频曲线示意图。
59.图10为传统电荷放大器增加共模或差模负反馈的结构示意图；
具体实施方式
60.本实用新型的核心是提供一种降干扰的电荷放大器，可以有效地降低共模干扰和差模干扰，并且结构简单。
61.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
62.请参考图1，图1为本实用新型中一种降干扰的电荷放大器的结构示意图，该降干扰的电荷放大器可以包括：
63.反相输入端作为正电荷输入端并且分别与前级电路和第一电容c1的第一端连接，同相输入端作为参考端并与第二运放op2的同相输入端连接，输出端与第一电容c1的第二端连接的第一运放op1；
64.反相输入端作为负电荷输入端并且分别与前级电路和第二电容c2的第一端连接，输出端与第二电容c2的第二端连接的第二运放op2；
65.第一电容c1，第二电容c2；
66.第一输入端与第一运放op1的输出端连接，第二输入端与第二运放op2的输出端连接，第三输入端与参考端连接，用于进行差分电压求和的差分叠加电路10；
67.输入端与差分叠加电路10的输出端连接，输出端与第一运放op1的反相输入端连接，用于通过负反馈抑制差模干扰的差模负反馈电路20；
68.第一输入端与第一运放op1的输出端连接，第二输入端与第二运放op2的输出端连接，第一输出端与第一运放op1的反相输入端连接，第二输出端与第二运放op2的反相输入端连接，用于通过输出的负反馈电流降低共模输入电流的共模负反馈电路30。
69.通过正电荷变换器和负电荷变换器可以实现差分电压的输出，再通过差分叠加电路10进行差分电压求和，常规的电荷变换器通常包括运放，反馈电容和反馈电阻，例如图10为传统的增加共模或差模负反馈的电荷放大器的结构示意图，图10中的电阻r3，r4，r5以及r6均为反馈电阻，电容c1和c2均为反馈电容。
70.而本技术的方案中取消了电荷变换器中的反馈电阻，即本技术的方案中，正电荷变换器包括第一运放op1和第一电容c1，而负电荷变换器包括第二运放 op2和第二电容c2，相较于图10，本技术方案中的正、负电荷变换器中均减少了2个电阻。
71.并且，参数通常是对称的，即c1＝c2。这是考虑到常规的电荷变换器包括运放，反
馈电容cf和反馈电阻rf，低频截止频率f0可以表示为：f0＝1/(2π rfcf)，而在实际工程上，由于空间上的限制等原因，导致电阻器件的阻值难以提高，因此可以看出，反馈电阻限制了电荷变换器的低频响应。
72.本技术的方案中取消了电荷变换器中的限制电荷变换器低频响应的反馈电阻，由f0＝1/(2πrfcf)可知，相当于是提高了公式中的反馈电阻rf的取值，从而降低了低频截止频率f0，也就有利于提高电荷变换器的低频响应。
73.但是，取消反馈电阻之后，将会引起电荷变换器输出直流工作点偏移。对此，本技术的方案中设置了差模负反馈电路20，差模负反馈电路20的输入端与差分叠加电路10的输出端连接，输出端与第一运放op1的反相输入端连接，可以稳定直流工作点。并且，通过差模负反馈电路20还可以增强对于差模直流干扰的抑制能力。
74.差模负反馈电路20的具体电路构成可以根据实际情况进行设定和调整，例如在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图2，差模负反馈电路20包括：
75.第一端与第一运放op1的反相输入端连接，第二端与差分叠加电路10的输出端连接的第五电阻r5。
76.该种实施方式中，差模负反馈电路20由1个电阻构成，结构简单，即通过第五电阻r5连接差分叠加电路10的输出端与第一运放op1的反相输入端，实现差模负反馈。并且由于该种实施方式结构简单，相较于传统的需要设置反馈电阻的电荷变换器的方案，该种实施方式的设计有效地降低了所需要的器件数量，也就提高了电路的可靠性。
77.进一步的，在本实用新型的一种具体实施方式中，差模负反馈电路20还可以包括：
78.第一端与第五电阻r5的第二端连接，第二端与差分叠加电路10的输出端连接的第六电阻r6；
79.第一rc电路，第一rc电路的第一端分别与第五电阻r5的第二端和第六电阻r6的第一端连接，第一rc电路的第二端与参考端连接。
80.该种实施方式中还引入了第一rc电路，即低频自举旁路，可以有效地降低电荷变换器的低频截止频率，扩展带宽，也就有效地提升了低频性能，后文的图9a和图9b中也能够反映出第一rc电路扩展带宽的效果。并且由于需要引入第一rc电路，因此还设置了与第五电阻r5串联的第六电阻r6，二者共同构成负反馈电阻，且在二者的连接端引入第一rc电路。
81.在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图3，第一rc电路可以具体包括：
82.第一端作为第一rc电路的第一端，第二端与第七电阻r7的第一端连接的第三电容c3；
83.第二端作为第一rc电路的第二端的第七电阻r7。
84.该种实施方式中，第一rc电路由第三电容c3和第七电阻r7构成，结构简单，可靠性高。
85.此外需要说明的是，本技术的方案中增加的共模负反馈电路30、差模负反馈电路20对原宽频带电荷放大器对压电信号(正常信号)的传输系数没有影响。
86.共模负反馈电路30用于抑制共模干扰，通过共模负反馈电路30有利于让共模输入电压能够不超过出第一运放op1、第二运放op2的共模输入范围，让第一运放op1、第二运放op2输出的共模电压降低，也就使得差分叠加电路10 通过差分输出，能够更加有效地剔除共模干扰。
87.在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图2，共模负反馈电路30可以包括：
88.第一端与第一运放op1的反相输入端连接，第二端分别与第二电阻r2的第一端、第三电阻r3的第二端以及第四电阻r4的第一端连接的第一电阻r1；
89.第二端与第二运放op2的反相输入端连接的第二电阻r2；
90.第一端与第一运放op1的输出端连接的第三电阻r3；
91.第二端与第二运放op2的输出端连接的第四电阻r4。
92.在图2中，用z 表示本技术的降干扰的电荷放大器的正电荷输入端，z-表示本技术的降干扰的电荷放大器的负电荷输入端，用vref表示参考端，参考端的具体电压数值可以根据实际需要进行设定。此外，该种实施方式中，将第一电阻r1与第二电阻r2的连接端标记为j1，将第三电阻r3与第四电阻r4的连接端标记为j1，以表示这两个连接端是相互连接的。
93.通常，可以设置r1＝r2，r3＝r4。共模干扰通过传感器电荷传输线缆的分布电容进入电荷放大器时，本技术通过增加电荷放大器输出端至输入端的共模负反馈电路30，减小了电荷放大器的共模输出电压，使后级的用于有限剔除共模干扰的差分叠加电路10可以更有效地降低或消除最终输出的共模干扰信号，实现宽频的共模干扰抑制。差分叠加电路10的具体电路构成可以根据需要进行设定和调整，例如在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图2，差分叠加电路10可以包括：
94.第一端作为差分叠加电路10的第一输入端，第二端与第三运放op3的同相输入端连接的第八电阻r8；
95.第一端作为差分叠加电路10的第三输入端，第二端与第三运放op3的同相输入端连接的第九电阻r9；
96.第一端作为差分叠加电路10的第二输入端，第二端与第三运放op3的反相输入端连接的第十电阻r10；
97.第一端与第十电阻r10的第二端连接的第十一电阻r11；
98.输出端与第十一电阻r11的第二端连接，且连接端作为差分叠加电路10的输出端的第三运放op3。
99.该种实施方式中的差分叠加电路10由四个电阻和一个运放构成，电路结构便于实施，第三运放op3的输出端作为差分叠加电路10的输出端，即通过第三运放op3的输出端，输出差分电荷变换信号。此外，通常会设定为r8＝r10， r9＝r11。
100.在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：
101.设置在前级电路与第一运放op1的反相输入端之间的第二rc电路；
102.设置在前级电路与第二运放op2的反相输入端之间的第三rc电路。
103.通过第二rc电路和第三rc电路可以提高热释电抑制效果，具体的电路构成可以根据实际需要进行选取，例如在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图3，第二rc电路包括第四电容c4和第十二电阻r12，第三rc电路包括第五电容c5和第十三电阻r13。
104.第四电容c4的第一端作为第二rc电路的第一端并与前级电路连接，第四电容c4的第二端与第十二电阻r12的第一端连接，第十二电阻r12的第二端作为第二rc电路的第二端并与第一运放op1的反相输入端连接；
105.第五电容c5的第一端作为第三rc电路的第一端并与前级电路连接，第五电容c5的第二端与第十三电阻r13的第一端连接，第十三电阻r13的第二端作为第三rc电路的第二端
并与第二运放op2的反相输入端连接；
106.当第四电容c4的第一端与第一电阻r1的第一端连接时，第五电容c5的第一端与第二电阻r2的第二端连接；当第四电容c4的第二端与第一电阻r1 的第一端连接时，第五电容c5的第二端与第二电阻r2的第二端连接；当第十二电阻r12的第二端与第一电阻r1的第一端连接时，第十三电阻r13的第二端与第二电阻r2的第二端连接。
107.图3中的实施方式中，由第四电容c4，第十二电阻r12，第五电容c5以及第十三电阻r13来实现第二rc电路和第三rc电路，较为简单方便。并且通常会设置为c4＝c5，r12＝r13。并且在图3中，示出的是第十二电阻r12的第二端与第一电阻r1的第一端连接，第十三电阻r13的第二端与第二电阻r2的第二端的连接方式，图3中用虚线表示另外的两种连接方式。
108.在本实用新型的一种具体实施方式中，还可以包括：第六电容c6和第七电容c7；
109.第六电容c6的第二端分别与第七电容c7的第一端、第一电阻r1的第二端、第二电阻r2的第一端，第三电阻r3的第二端以及第四电阻r4的第一端连接；
110.当第六电容c6的第一端与第四电容c4的第一端连接时，第七电容c7的第二端与第五电容c5的第一端连接；
111.当第六电容c6的第一端与第四电容c4的第二端连接时，第七电容c7的第二端与第五电容c5的第二端连接；
112.当第六电容c6的第一端与第十二电阻r12的第二端连接时，第七电容c7 的第二端与第十三电阻r13的第二端连接。
113.该种实施方式中，是考虑到前述的实施方式，对于低频段的共模干扰抑制能力较强，在此基础上，通过增加电容负反馈，可以进一步降低高频段的共模干扰。此外，通常需要设置c6＝c7。
114.图4，图5，图6以及图7示出了不同实施方式中的第六电容c6和第七电容c7的放置位置，均能够达到同样的干扰抑制效果。
115.此外，通过图8a，图8b的仿真结果，也可以说明本技术的差模、共模干扰的抑制效果。其中，图8a表示的是由于电荷输入端对地绝缘电阻、运算放大器失调电压、负反馈电容参数不对称，引起电荷放大器直流工作点电压偏移的情况下，本技术的降干扰的电荷放大器稳定直流工作点与抑制共模、差模干扰的波形示意图。图8b则表示的是由于电荷输入端对地绝缘电阻、运算放大器失调电压、负反馈电容参数不对称，引起电荷放大器直流工作点电压偏移的情况下，传统的电荷放大器在各个检测位置的波形示意图。图8a和图8b中，从上至下的各个坐标轴中的曲线依次表示：0-差分输出电压，1-第一运放op1输出电压， 2-第二运放op2输出电压，3-输出共模电压，也就是图7中标记的位置1，位置 2，位置3相对于参考端的电压。4-电荷模拟输入电压。
116.由仿真结果可以看出，本技术的降干扰的电荷放大器可以有效地稳定直流工作点，抑制抑制共模、差模干扰。
117.图9b为传统电荷放大器的幅频曲线，图9a为共模、差模负反馈电荷放大器的幅频曲线，可以看出，共模、差模负反馈电荷放大器增加对共模、差模干扰的抑制能力后不会影响信号传输，并降低了低频响应截止频率，扩展了信号带宽。而传统的电荷放大器具备负反馈电容、负反馈电阻，限制了电荷变换器的低频响应，即其低频响应难以提升。
118.相应于上面的降干扰的电荷放大器的实施例，本实用新型实施例还提供了一种信
号处理设备，可以包括上述任一实施例中的降干扰的电荷放大器，此处不再重复说明。
119.应用本实用新型实施例所提供的技术方案，考虑到差分叠加的方式可以消除共模干扰，但是当共模干扰超出运放的共模输入范围时，就会在差分输出端，即差分叠加电路10的输出端产生有害的差模信号。因此，本技术的方案中设置了共模负反馈电路30，具体的，共模负反馈电路30的第一输入端与第一运放 op1的输出端连接，第二输入端与第二运放op2的输出端连接，第一输出端与第一运放op1的反相输出端连接，第二输出端与第二运放op2的反相输出端连接。共模负反馈电路30可以使第一运放op1、第二运放op2输出的共模电压降低，也就使得差分叠加电路10通过差分输出，能够更加有效地剔除共模干扰，即本技术的方案通过共模负反馈电路30的设计可以有效地降低最终输出的共模干扰信号。与此同时，本技术的方案设置了通过负反馈抑制差模干扰的差模负反馈电路20，并且，本技术的方案中，取消了电荷放大器中的负反馈电阻的设计，从而有利于提高低频响应，即本技术的正电荷放大器由第一运放op1和第一电容c1构成，负电荷放大器由第二运放op2和第二电容c2构成，因此简化了结构，且有利于提高低频响应。电荷放大器中原本设计的负反馈电阻能够稳定直流工作点，本技术取消了负反馈电阻的设计之后，由于设计了差模负反馈电路20，差模负反馈电路20的输入端与差分叠加电路10的输出端连接，输出端与第一运放op1的反相输入端连接，因此通过差模负反馈电路20可以稳定直流工作点。综上所述，本技术的方案可以有效地降低共模干扰和差模干扰，并且结构简单。
120.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
121.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。