CN102221706A - 一种前置差分放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对弱信号进行高精度放大调理的前置差分放大电路，包括：用于提供输入差分信号参考基准电压的差分输入平衡基准电路；对差分输入平衡基准电路输出信号进行放大的精密仪表放大电路；对精密仪表放大电路输出的信号进行差分放大的差分放大电路；对差分放大电路输出的差分放大信号进行低通滤波的滤波电路。本发明的另一目的在于提供一种应用了前置差分放大电路的设备，所述设备的前置差分放大电路为包括至少1个如上所述的前置差分放大电路的电路。本发明使微弱差分信号能合理的被采样，解决了微弱差分信号不能正确的被采样识别问题。

Description

一种前置差分放大电路

技术领域

本发明涉及信号功放领域，尤其涉及一种前置差分放大电路。

背景技术

目前，浅层地震勘探是工程探测与质量检测中最常用的方法之一，具有成本低、效率高、无损，并可连续测量绘制剖面图等优点。然而，在地震勘探中，若不能对输入地震信号进行高精度放大调理，充分利用仪器的信号采样动态范围，则地震勘探结果与真实结果将相差迥异。在浅层地震勘探中地震检波器输出的模拟电压信号具有如下特点：低输出阻抗、高动态范围、全差分输出。由于地震信号具有以上几个主要特征，因此，要求地震信号输入到信号采集器在进行A/D模数转换之前，需要实现一定增益、全差分方式、以及高输入阻抗和低输出阻抗设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对弱信号进行高精度放大调理的前置差分放大电路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种前置差分放大电路，包括：用于提供输入差分信号参考基准电压的差分输入平衡基准电路；

对差分输入平衡基准电路输出信号进行放大的精密仪表放大电路；

对精密仪表放大电路输出的信号进行差分放大的差分放大电路；

对差分放大电路输出的差分放大信号进行低通滤波的滤波电路。

进一步地，所述的前置差分放大电路包括第一输入端(3)和第二输入端(4)两个输入端以及第一输出端(19)和第二输出端(20)两个输出端。

进一步地，所述的差分输入平衡基准电路、精密仪表放大电路、差分放大电路、滤波电路均包括两个输入端和输出端。

所述的差分输入平衡基准电路的第一输入端(1)和第二输入端(2)分别与所述前置差分放大电路的第一输入端(3)和第二输入端(4)连接，所述的差分输入平衡基准电路的第一输出端(5)和第二输出端(6)分别与所述精密仪表放大电路的第一输入端(7)和第二输入端(8)连接，所述的精密仪表放大电路的第一输出端(9)和第二输出端(10)分别与所述差分放大电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)连接，所述差分放大电路的第一输出端(13)和第二输出端(14)分别与所述滤波电路的第一输入端(15)和第二输入端(16)连接，所述的滤波电路的第一输出端(17)和第二输出端(18)分别与所述的前置差分放大电路的第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

进一步地，所述的差分输入平衡基准电路包括阻值相等的第1电阻和第2电阻，所述的第1电阻连接在所述差分输入平衡基准电路的第一输入端(1)与电源地之间，所述的第2电阻连接在差分输入平衡基准电路第二输入端(2)与电源地之间。

进一步地，所述的精密仪表放大电路包括一可调电阻和一精密仪表放大器，所述可调电阻的两端与所述精密仪表放大器连接，所述的精密仪表放大器的两个输入端分别和所述精密仪表放大电路的第一输入端(7)和第二输入端(8)连接，所述的精密仪表放大器的两个输出端分别和所述精密仪表放大电路的第一输出端(9)和第二输出端(10)连接。

进一步地，所述的精密仪表放大电路还包括过压保护电路。

进一步地，所述的精密仪表放大器通过INA128实现。

进一步地，所述的差分放大电路包括一运算放大器、第3电阻、第4电阻，第3电阻和第4电阻串联连接并在两电阻串联连接的两端中间连接到所述运算放大器的反向输入端，所述运算放大器的同向输入端连接到电源参考地，所述运算放大器的输出端与所述差分放大电路的第二输出端(14)连接，

所述第3电阻和第4电阻串联组成的电路的一端与所述差分放大电路的第一输入端(11)和第一输出端(13)连接，所述第3电阻和第4电阻串联组成的电路的另一端与所述差分放大电路的第二输入端(12)以及第二输出端(14)连接。

进一步地，所述的滤波电路由两个RC滤波电路组成，所述的两个RC滤波电路的输入端分别与所述差分放大电路的第一输出端(13)和第二输出端(14)连接，所述的两个RC滤波电路的输出端分别与所述前置差分放大电路的第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

本发明的另一目的在于提供一种应用了前置差分放大电路的设备，所述设备的前置差分放大电路为包括至少1个如上所述的前置差分放大电路。

本发明的有益效果

本发明使微弱差分信号能合理的被采样，解决了微弱差分信号不能正确的被采样识别问题。

附图说明

图1为本发明一种前置差分放大电路的输入输出端示意图；

图2为本发明前置差分放大电路实施例原理框图；

图3为本发明前置差分放大电路实施例电路原理示意图；

图4为本发明应用了前置差分放大器的设备实施例原理框图。

具体实施方式

参见附图2，本发明前置差分放大电路包括：用于提供输入差分信号参考基准电压的差分输入平衡基准电路；对差分输入平衡基准电路输出信号进行放大的精密仪表放大电路；对精密仪表放大电路输出的信号进行差分放大的差分放大电路；对差分放大电路输出的差分放大信号进行低通滤波的滤波电路。

附图1所示本发明前置差分放大电路实施例包括两个输入端和两个输出端：第一输入端(3)和第二输入端(4)，第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

参见附图2，所述的差分输入平衡基准电路、精密仪表放大电路、差分放大电路、滤波电路均包括两个输入端和输出端，所述的差分输入平衡基准电路的第一输入端(1)和第二输入端(2)分别与所述前置差分放大电路的第一输入端(3)和第二输入端(4)连接，所述的差分输入平衡基准电路的第一输出端(5)和第二输出端(6)分别与所述精密仪表放大电路的第一输入端(7)和第二输入端(8)连接，所述的精密仪表放大电路的第一输出端(9)和第二输出端(10)分别与所述差分放大电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)连接，所述差分放大电路的第一输出端(13)和第二输出端(14)分别与所述滤波电路的第一输入端(15)和第二输入端(16)连接，所述的滤波电路的第一输出端(17)和第二输出端(18)分别与所述的前置差分放大电路的第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

参见附图3和附图4，本发明应用了前置差分电路的设备的一个实施例如下：

以下仅对应用了本发明所述前置差分放大电路的相关部分作描述：应用了前置差分电路的设备中的前置差分放大电路由4个结构相同的附图3所示的前置差分放大电路组成，通过配置每通道电路参数实现每通道相同差分放大，并将差分放大的信号送入附图4所示的多通道高精度模拟信号采集电路。对于每通道的弱信号前置差分放大电路实施例由差分输入平衡基准电路Part_A、包含输入过压保护装置的精密仪表放大电路Part_B、差分放大电路Part_C以及滤波电路Part_D依次串联构成。

差分输入平衡基准电路Part_A包含R_m1和R_n1，其中选取R_m1和R_n1阻值均为100KΩ；精密仪表放大电路Part_B采用高共模抑制比、低噪声集成精密仪表放大器INA128和一个增益调节电阻R_g1构成，选取R_g1为200Ω使放大倍数配置为251倍；差分放大电路Part_C选取电阻R_h1和R_i1均为100KΩ，运算放大器选取低噪声低输入偏置运算放大器OP1177实现差分放大；低通滤波电路Part_D选取RC实现1KHz低通滤波功能。

所述的差分输入平衡基准电路Part_A包含R_m1和R_n1，其中选取R_m1和R_n1阻值均为100KΩ，用于提供输入差分信号参考基准，使输入差分信号在参考基准上下浮动，所述的参考基准为电源地。

所述的包含输入过压保护装置的精密仪表放大电路Part_B为低噪声、高输入阻抗、低输出阻抗、高增益以及具有输入过压保护功能的电路，采用高共模抑制比、低噪声集成精密仪表放大器INA128和一个增益调节电阻R_g1构成，选取R_g1为200Ω使放大倍数配置为251倍。差分输入平衡基准电路Part_A输出的信号经过该仪表放大电路放大，根据附图3中Part_B部分计算输出信号V_OUT1为：

$V_{\mathrm{OUT}1}=(1+2\×\frac{R_{a1}}{R_{g1}})\×(V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}+}-V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}-})+V_{\mathrm{REF}1}$

其中附图3中精密仪表放大电路Part_B参数满足R_a1＝R_b1；R_c1＝R_d1；R_e1＝R_f1；R_h1＝R_i1，V_REF1由附图3中Part_C部分反馈电路输出提供。其放大增益通过修改R_g1电阻值实现。

所述的差分放大电路Part_C，选取电阻R_h1和R_i1均为100KΩ，运算放大器选取低噪声低输入偏置运算放大器OP1177实现差分放大，根据电路计算V_REF1为：

V_REF1＝-V_OUT1

联合前面所述公式最终计算得到V_OUT1和V_REF1，如下：

$V_{\mathrm{OUT}1}=\frac{(1+2\×\frac{R_{a1}}{R_{g1}})}{2}\×(V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}+}-V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}-})$

$V_{\mathrm{REF}1}=\frac{(1+2\×\frac{R_{a1}}{R_{g1}})}{2}\×(V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}+}-V_{\mathrm{CH}1\_\mathrm{IN}-})$

其中(V_{CH1_IN}+-V_{CH1_IN}-)为输入信号经过差分输入平衡基准电路后的输入差分信号差值，从上述结果看出，其完全实现了输入信号差分放大目的，对于差分信号的增益可根据实际需求调整R_g1实现。

所述的滤波电路Part_D由两个RC低通无源滤波电路分别对差分放大输出信号的正信号和负信号进行1KHz低通滤波，实现差模噪声抑制功能。

由以上所述可以看出，本实施例实现了四通道弱信号前置差分放大功能，使弱信号在后续的采样装置中合理的被采样识别。

应当理解上述实施例所述仅为本发明的优选实施例，只为解释本发明所述的技术方案，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种前置差分放大电路，其特征在于包括：

用于提供输入差分信号参考基准电压的差分输入平衡基准电路；

对差分输入平衡基准电路输出信号进行放大的精密仪表放大电路；

对精密仪表放大电路输出的信号进行差分放大的差分放大电路；

对差分放大电路输出的差分放大信号进行低通滤波的滤波电路。

2.根据权利要求1所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的前置差分放大电路包括第一输入端(3)和第二输入端(4)两个输入端以及第一输出端(19)和第二输出端(20)两个输出端。

3.根据权利要求1所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的差分输入平衡基准电路、精密仪表放大电路、差分放大电路、滤波电路均包括两个输入端和输出端，

所述的差分输入平衡基准电路的第一输入端(1)和第二输入端(2)分别与所述前置差分放大电路的第一输入端(3)和第二输入端(4)连接，所述的差分输入平衡基准电路的第一输出端(5)和第二输出端(6)分别与所述精密仪表放大电路的第一输入端(7)和第二输入端(8)连接，所述的精密仪表放大电路的第一输出端(9)和第二输出端(10)分别与所述差分放大电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)连接，所述差分放大电路的第一输出端(13)和第二输出端(14)分别与所述滤波电路的第一输入端(15)和第二输入端(16)连接，所述的滤波电路的第一输出端(17)和第二输出端(18)分别与所述的前置差分放大电路的第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

4.根据权利要求2所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的差分输入平衡基准电路包括阻值相等的第1电阻和第2电阻，所述的第1电阻连接在所述差分输入平衡基准电路的第一输入端(1)与电源地之间，所述的第2电阻连接在差分输入平衡基准电路第二输入端(2)与电源地之间。

5.根据权利要求2所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的精密仪表放大电路包括一可调电阻和一精密仪表放大器，所述可调电阻的两端与所述精密仪表放大器连接，所述的精密仪表放大器的两个输入端分别和所述精密仪表放大电路的第一输入端(7)和第二输入端(8)连接，所述的精密仪表放大器的两个输出端分别和所述精密仪表放大电路的第一输出端(9)和第二输出端(10)连接。

6.根据权利要求5所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的精密仪表放大电路还包括过压保护电路。

7.根据权利要求5所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的精密仪表放大器通过INA128实现。

8.根据权利要求3所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的差分放大电路包括一运算放大器、第3电阻、第4电阻，第3电阻和第4电阻串联连接并在两电阻串联连接的两端中间连接到所述运算放大器的反向输入端，所述运算放大器的同向输入端连接到电源参考地，所述运算放大器的输出端与所述差分放大电路的第二输出端(14)连接，

所述第3电阻和第4电阻串联组成的电路的一端与所述差分放大电路的第一输入端(11)和第一输出端(13)连接，所述第3电阻和第4电阻串联组成的电路的另一端与所述差分放大电路的第二输入端(12)以及第二输出端(14)连接。

9.根据权利要求3所述的前置差分放大电路，其特征在于：所述的滤波电路由两个RC滤波电路组成，所述的两个RC滤波电路的输入端分别与所述差分放大电路的第一输出端(13)和第二输出端(14)连接，所述的两个RC滤波电路的输出端分别与所述前置差分放大电路的第一输出端(19)和第二输出端(20)连接。

10.一种应用了前置差分放大电路的设备，其特征在于：所述设备的前置差分放大电路为包括至少1个权利要求1-9任一所述的前置差分放大电路。

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