CN106788297B - 基于场效应管的两线制内置电荷放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明基于场效应管的两线制内置电荷放大电路属于低噪声两线制电荷‑电压转换放大电路与结构设计技术领域。本发明输入级使用场效应管小信号压控电流变化实现高内阻交变电荷信号至低内阻电压信号的阻抗转换，由电阻分压构成偏置电路，经PNP双极晶体管构成的共基极电流跟随器及NPN双极晶体管构成的共射极输出电路后与电源复合，形成两线制信号传输，输入端滤波电容实现降低噪声干扰，信号电压与直流偏置电压复合叠加。由于场效应管噪声低，场效应管及双极晶体管特征频率高，因此电路频率响应范围宽，输出驱动能力也较高，使用的电子元器件数目少，电阻元件采用电阻浆料烧结并激光调阻易于集成化及控制精度，电路基板选用氧化铝陶瓷，结构强度高。

Description

基于场效应管的两线制内置电荷放大电路

技术领域

本发明基于场效应管的两线制内置电荷放大电路用于将高阻抗电荷输入信号转换放大成低阻抗输出信号电压与直流偏置电压复合的输出电信号，属于低噪声两线制电荷-电压转换放大电路结构与设计领域。

背景技术

目前，国内集成电荷-电压转换功能的压电振动传感器或机载振动放大器在飞机的结构健康监测、新型或新研航空发动机上得到了应用与推广。现有电荷-电压信号转换技术，一般由集成运放加反馈电容构成主体电路再加二级信号增益调节达到用户需要的信号电压范围。但现有技术存在以下缺陷：

1)运放、反馈电容及增益调节电阻式的结构，增加了对反馈电容和增益调节电阻等电子元器件的精度要求；

2)运放加反馈电容结构形式电路，转换放大及调整的级数较多，降低了信号转换的信噪比；

3)反馈电容的存在对信号频宽或信号处理频响上限产生了一定的限制；

4)现有技术需要运放等集成电路，内外部结构复杂，信号噪声源较多；

5)运放、反馈电容式的电路结构，体积较大，难以实现微小型化封装；

6)传统电路结构需要电源单端或双端供电，供电线、信号线及地线需要单独走线，对信号线的数量、布线及成本要求较多；

7)传统结构无直流监控电压，无法监控器件是否正常工作；

8)压电传感器与机载振动放大器分体易形成对低噪声电缆的依赖。

发明内容

本发明目的：为了实现电荷-电压转换两线制信号传输及直流偏置监测电压输出要求，并简化电路结构，减少电子元器件数目，提高低噪声能力和微小型化集成要求，兼顾宽频响应、动态响应范围、输出带载能力及结构强度要求，设计本电路。

本发明技术方案：

基于场效应管的两线制内置电荷放大电路，所述元件包括电容C0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、场效应管N-JFET、PNP晶体管T1、NPN晶体管T2。

电荷信号输入端与电容C0、电阻R1及场效应管N-JFET栅、源极并联，电容C0实现低通滤波截止频率调节，滤去高频噪声。电荷流经电阻R1产生的电压通过场效应管N-JFET实现小信号压控电流变化，同时实现阻抗变换。电阻R2串接在场效应管N-JFET的源极，调整场效应管的静态工作点。电阻R3、电阻R4跨接于电源及地，两者连接节点3与场效应管N-JFET的漏极及PNP晶体管T1发射极相连，主要用于实现电路偏置电压调节与输出。PNP晶体管T1基、射极连接场效应管N-JFET的源、漏极，起着电流跟随作用，还起着对小信号进行一定的电压放大作用，放大能力由PNP晶体管T1的等效输出和输入负载比决定。PNP晶体管T1集电极与电阻R5构成NPN晶体管T2的基、射极输入，电阻R5可起电压放大能力调节作用。NPN晶体管T2的集电极连接电源，除放大交流信号外，提高输出驱动能力并实现信号与电源的共线传输。

本发明优点：本发明具有以下优点：

1)电路动态响应范围较大，在1Hz～50kHz频率响应范围内增益变化不大于1％，见电路仿真扫频曲线图、电路实测扫频图；

2)输入动态范围宽，大于20000pC，也适用于冲击型加速度传感器；

3)电路输入阻抗高，达到10⁶Ω～10⁹Ω；

4)电路元器件数目少稳定性好，具有极小的噪声；

5)输入端低通滤波截止频率可调，晶体管特征频率高，应用频响宽；

6)输出阻抗小，带载能力高，一般小于100Ω；

7)恒流激励电流范围宽，一般能工作在+2mA～+20mA范围，典型值为4mA；

8)工作电压范围较大+18VDC～+30VDC；

9)直流输出偏置电压为11VDC，偏置电压误差小，一般为0.5VDC；

10)电路绝缘电阻高，一般大于100MΩ，绝缘介电强度也不小于500V；

11)使用的场效应管及双极晶体管结温为-55℃～150℃，最大工作电压40V，输出级三级管结温为-65℃～150℃，最大工作电压60V；

12)电路板基板材料选用电子元器件结构陶瓷材料氧化铝制作厚膜电路，该材料线膨胀系数低，抗热震性好，体积电阻率高(不小于10¹³Ω·cm)，抗折强度(不小于200MPa)。

13)除表贴三极管器件，其余电阻元件可用电阻浆料烧结而成，可进行激光精确调阻，易实现微小型化。

附图说明

图1是电荷-电压转换电路

图2是电路仿真扫频曲线图

图3电路实测扫频图

图4是典型应用图

其中，PEC是压电组件等效电容，PEI是压电组件等效电流源，U1是稳压芯片。

图5是电路外形结构

其中，1是表贴电子元器件，2是电路陶瓷基板，3是电极面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

电路陶瓷基板2材料选用电子元器件结构陶瓷材料氧化铝，并在其上布局通过丝网印刷制作厚膜电路。通过电阻浆料烧制电阻元件R2～R5，其电阻均为kΩ级别可通过激光调阻实现电阻的细微调整，即电路增益与输入输出特性的调整，电阻R1一般为MΩ级别，可通过选用该电阻级别贴片电阻用高温钎料实现焊装。根据滤波及放大倍数微调需要，可增加表贴电容C0，一般为几十到几百pF级别。再将N沟道结型场效应管N-JFET、PNP双极晶体管T1及NPN双极晶体管T2等表贴器件在电路板上用高温钎料进行焊装。结型场效应管N-JFET作为输入级，通过激光调阻R2调整场效应管的静态工作点。偏置电路中的R3和R4用于调节电路节点3的电压，和R2配合稳定电路的静态工作点，同时还对电路的直流分量进行调整，使直流输出分量满足要求。激光调阻调节R5可起着电压放大能力调节作用。将电路电荷输入极接至电极面3，实现与压电元件输出电荷无引线直接连接

将电路的输入和输出引线布置后，通过图5用电荷模拟器(或等效电压源)、恒流源及交直流电压表监测输入输出并激光调整电阻实现电路预定的电荷电压转换及放大功能。

实施例一

我公司某型号电荷输出型产品与采用本发明所涉及结构与技术的电路联试，三极管元器件选型J201、9012及3904。实现了1mV/pC～10mV/pC的增益调节，电路增益调节能力不局限于此范围，增益频响偏差在50kHz范围内小于0.8％，125℃范围增益偏差小于3％。电路最大外形不超过Φ13.4mm×Φ6.1mm×2mm 。

Claims (1)

1.基于场效应管的两线制内置电荷放大电路，其特征在于，包括电容(C0)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、场效应管(N-JFET)、PNP晶体管(T1)、NPN晶体管(T2)；

压电组件电荷信号输入端与电容(C0)、第一电阻(R1)及场效应管(N-JFET)栅源极并联，电容(C0)实现低通滤波，滤去高频噪声，第一电阻(R1)上的电压通过场效应管(N-JFET)实现小信号压控电流变化，同时实现阻抗变换，第二电阻(R2)串接在场效应管(N-JFET)的源极，调整场效应管的静态工作点，第三电阻(R3)、第四电阻(R4)跨接于电源及地，两者连接点与场效应管(N-JFET)的漏极及PNP晶体管(T1)的发射极相连，用于实现电路偏置电压调节与输出，PNP晶体管(T1)基、射极连接场效应管(N-JFET)的源、漏极，起着电流跟随作用，还起着对小信号进行一定的电压放大作用，放大能力由PNP晶体管(T1)的等效输出和输入负载比决定；PNP晶体管(T1)集电极与第五电阻(R5)构成NPN晶体管(T2)的基、射极输入，第五电阻(R5)能够起到电压放大能力调节作用；NPN晶体管(T2)的集电极连接电源，放大交流信号，提高输出驱动能力并实现信号与电源共线传输；

通过场效应管(N-JFET)实现电荷至电压信号的阻抗变换，PNP晶体管(T1)、NPN晶体管(T2)及第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)实现小信号的放大、驱动及与直流偏置电压的两线传输；除表贴场效应管(N-JFET)、PNP晶体管(T1)、NPN晶体管(T2)器件、电容(C0)及第一电阻(R1)外，第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)在厚膜电路上烧结电阻浆料实现整个电路板的小型化。