CN112491369B - 一种传感器信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

一种传感器信号处理电路，包括反转放大器和跨导放大器，连接于传感器电路的输出端；利用被所述反转放大器放大的时间常数与所述跨导放大器产生的负反馈及逆行共同作用，将所述反转放大器的负向输入端电压达到正向输入端的Vref电压的方式进行负反馈，从而消除了传感器的时间漂移和温度漂移；本发明又通过后续的时间常数的放大功能将配置在反馈路径上的电容值最小化，所以利用不会发生蒸发现象的陶瓷电容器，避免了电容器电容值的消移。

Description

一种传感器信号处理电路
技术领域
本发明涉及传感器信号处理领域，尤其涉及一种传感器信号处理电路。
背景技术
电子电容麦克风的传感器基本电路如图1所示，ECM元素将压力变化转化为容量变化，连接于FET的栅；Q1对微弱的声音压力信号进行增幅的FET；Rg对FET的栅极端子施加偏压的电阻；D1保护信号过大的二极管；R1将FET输出电流变换为电压；
源端接地结型FET的电压放大率可以使用跨导gm写成公式：VG＝gmR1，其中，VG表示源端接地结型FET的电压放大率，gm表示跨导；跨导按照结型FET的栅极、源端的电压和漏极的电流的二次曲线特征如图2所示，得出的斜率值
Figure BDA0002793384630000011
Figure BDA0002793384630000012
ID表示漏极的电流，VGS表示源端的电压，VP是栅极截止电压，IDSS是VGS＝0时的最大饱和电流，IDSS和VP都具有结型FEU固有值,
Figure BDA0002793384630000013
现有的结型FET应用于电子电容马克风信号的输出放大电路，如图3所示，其中电子电容马克风电路外部的AMP1是OPAMP的非反转放大器，所述AMP1的电压增益为IOUT SENSOR×R1×(R3/R2+1)。
图1中的电子电容麦克风电路，输出电压为：VOUT＝VDD-IOUT_sensor×R1,为了得到任意的电压放大率，则需要改变外部常数R1和gm，但是由于gm是场效应管的特性值，并不能任意设置，而且gm大的场效应管在IDSS的倾向也较大，存在消耗电流过大的问题；而根据所述输出电压的公式所示，若电压放大率设定较大，则会导致输出电流电压下降，输出动态范围变小。
图3中接口电路的输出电压为：VOUT＝VDD-IOUT_sensor×R1，通过信号链接的电容器C1将直流偏置电压于Vref对齐；但其中电容器C1、传感器输出负载电阻器R1和输入电阻器R4形成高通滤波器，所述高通滤波器的-3Db截止频率的遮断周波数为：(-3dB遮断周波数)＝1/{2πC1(R1/R4)},此时会存在低频分量的传感器信号被切断的问题。
现有技术中传感器接口电路包括两种电路：其一为不使用电容的直流连接电路，如图4所示，此种连接方式在低频区域的频率特征平坦，但传感器输出的漂移被放大器放大，输出动态范围不足，在一般的主动元件中，输出电流相对于温度变化(-40℃～+25℃～85℃)显示-50％～+100％的电流漂移特性；其二为使用电容的交流连接电路，如图5所示，其中，电容器的容量会随时间的推移逐渐减少，导致低频区域的截止频率向高频移动，而低频区域的传感器信号的接口功能受损导致电路损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传感器信号处理电路，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种传感器信号处理电路，包括反转放大器和跨导放大器，连接于传感器电路的输出端；
所述反转放大器包括三个电阻、第一电容和第一运算放大器；第一电阻连接于输入电压与第一运算放大器的反向输入端，第二电阻连接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，第三电阻连接于所述第一运算放大器的正向输入端和参考电压之间，第一电容与所述第二电阻进行并联；所述第一运算放大器的反向输入端连接于所述传感器电路的输出端；
所述跨导放大器包括两个电阻、第二电容和第二运算放大器；第四电阻连接于所述第二运算放大器的正向输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，第五电阻连接于所述第二运算放大器的正向输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，所述第二电容连接于所述第二运算放大器的反向输入端和接地端之间；所述第二运算放大器的输出端与所述第一运算放大器的反向输入端相连。
优选的，所述跨导放大器的电流输出端电路可分为3个系统，包括第三跨导放大器、第四跨导放大器和第五跨导放大器；所述第二运算放大器中设有正向输入端、反向输入端、正向输出端和反向输出端；所述第三跨导放大器、所述第四跨导放大器和所述第五跨导放大器的正向输入端和反向输入端均分别连接于所述第二运算放大器的正向输出端和反向输出端，所述第三跨导放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的反向输入端，所述第四跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的反向输入端，所述第五跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的正向输入端。
优选的，采用电流镜电路作为所述跨导放大器中的输出电路，所述第二运算放大器中设有三个输出端、一个正向输入端和一个反向输入端；三个所述输出端分别连接于所述第二运算放大器的正向输入端、反向输入端和所述第一运算放大器的反向输入端。
优选的，采用双极型晶体管构成所述传感器信号处理电路。
优选的，采用增强特性的MOS型FET构成所述传感器信号处理电路。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种传感器信号处理电路，利用被所述反转放大器放大的时间常数与所述跨导放大器产生的负反馈及逆行共同作用，将所述反转放大器的负向输入端电压达到正向输入端的Vref电压的方式进行负反馈，从而消除了传感器的时间漂移和温度漂移；本发明又通过后续的时间常数的放大功能将配置在反馈路径上的电容值最小化，所以利用不会发生蒸发现象的陶瓷电容器，避免了电容器电容值的消移。
附图说明
图1是传感器基本电路示意图；
图2是源端的电压和漏极的电流的二次特征曲线；
图3是现有传感器信号处理电路；
图4是现有传感器信号处理电路一；
图5是现有传感器信号处理电路二；
图6是传感器信号处理电路一；
图7是传感器信号处理电路二；
图8是跨导放大器电路；
图9是传感器信号处理电路三；
图10是跨导放大器等效电路；
图11是传感器信号处理电路等效电路；
图12是传感器信号处理电路原理图；
图13是传感器信号处理电路的温度特性比较图；
图14是传感器信号处理电路的低频特性比较图；
图15是双极型晶体管构成的传感器信号处理电路；
图16是增强特性的MOS型FET构成的传感器信号处理电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种传感器信号处理电路，如图6所示，包括反转放大器AMP1和跨导放大器AMP2。所述反转放大器AMP1，包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一电容器C1、第三电阻器R3和第一运算放大器；所述第一电阻器R2和电容器并联，连接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间；所述传感器输出第一电阻器R1一端连接输入电源，另一端连接于所述传感器的输出端和所述第一运算放大器的反向输入端；所述第三电阻器R3连接于参考电压与所述第一运算放大器的正向输入端之间。所述跨导放大器AMP2，包括第二运算放大器、第四电阻器R4、第五电阻器R5和第二电容器C2；所述第二运算放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的所述反向输入端，所述第二运算放大器的正向输入端连接所述第四电阻器R4和所述第二电容器C2的一端，所述第四电阻器R4的另一端与所述第一运算放大器的输出端相连接，所述第二电容器C2的另一端直接接地；所述第二运算放大器的反向输入端于所述第五电阻器相连，所述第五电阻器与所述第一运算放大器的输出端相连。
上述传感器信号处理电路中,所述反转放大器AMP1的电压放大率为：IOUT_sensor×R2,所述跨导放大器AMP2对传感器的输出施加电流负反馈，所述第一运算放大器的反向输入端电压受到所述跨导放大器AMP2的反馈，与所述第一运算放大器的所述正向输入端连接的参考电压Vref；所述传感器信号处理电路的输出电压为：
Figure BDA0002793384630000051
所述第四电阻器R4和所述第二电容器C2形成低通滤波器，并在所述第二运算放大器的作用下在整个所述传感器信号处理电路中作为高通滤波器，所述-3Db截止频率为
Figure BDA0002793384630000052
以上述传感器信号处理电路为基础，将所述跨导放大器的输出电路分为3个系统，如图7所示，包括第三跨导放大器AMP3、第四跨导放大器AMP4和第五跨导放大器AMP5；所述第二运算放大器中设有正向输入端、反向输入端、正向输出端和反向输出端；所述第三跨导放大器、所述第四跨导放大器和所述第五跨导放大器的正向输入端和反向输入端均分别连接于所述第二运算放大器AMP2的正向输出端和反向输出端，所述第三跨导放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的反向输入端，所述第四跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的反向输入端，所述第五跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的正向输入端。所述跨导放大器AMP3对传感器的输出信号施加电流负反馈，所述跨导放大器AMP4和所述跨导放大器AMP反馈电路的低通滤波器由所述第四电阻器R4和所述第二电容器C2构成，所述低通滤波器的-截止频率为
Figure BDA0002793384630000061
相较于图6中的所述传感器信号处理电路，此时的-3dbB截止频率更低，向
Figure BDA0002793384630000062
低频区域移动，可以使传感器信号的频带集中于超低范围内。
所述跨导放大器如图8所示，其中图7所示的3组跨导电路的输出电路可以使用电流镜电路构成多个输出电路，图9所示的传感器信号处理电路，采用1个设有3个输出端子的跨导放大器，替换图7中的3个设有1个输出端子的跨导放大器，另所述第二运算放大器中设有三个输出端、一个正向输入端和一个反向输入端；三个所述输出端分别连接于所述第二运算放大器的正向输入端、反向输入端和所述第一运算放大器的反向输入端。
所述跨导放大器的等效电路如图10所示，所述第二电容器C2和所述第四电阻器R4形成的时间常数为(τ＝C2×R4),故-3Db截止频率为
Figure BDA0002793384630000063
在进行超低频区域的信号检测时，秩序充分减小-3Db截止频率，另时间常数扩大；扩大后的时间常数为τ＝GV×C2×R4，所需的时间常数由传感器信号的规格来决定，使所述第二电容器C2可以选择很小的电容值，便可以采用不会产生蒸发现象的陶瓷电容器，从而避免了电容器的容量值消减。所述传感器信号处理电路的等效电路如图11所示。
上述传感器信号处理电路的原理电路如图12所示，图10所示电路的输出电压与图1所示电路的输出电压的温度特性的对比如图13所示，相较于图1中的FET的温度漂移，输出电压在高温下降低；图10中的输出电压则相对于温度的变化保持固定值不变。图10所示，所述传感器和所述传感器信号处理电路之间没有连接电容，利用被放大的时间常数和所述跨导放大器产生的负反馈起作用，另反转放大器AMP1的负向输入端电压向所述正向输入端的电压Vref进行负反馈；因此小处理直流连接电路中传感器的时间漂移和温度漂移的问题。
图10所示电路的输出信号的频率特性和图5所示电路的输出信号的频率特性的对比如图14所示，所述图5中的交流连接电容容量为100uF，图10的反馈电路的低筒滤波器的电容为1/100Uf，但低频特性近似。
实施例一
采用双极型晶体管构成图9所示的传感器信号处理电路，如图15所示；其中Q3和Q4构成差动放大器，将输入的低电压侧信号从电压转换为电流；Q1和Q2构成差动放大器，将输入的高电压侧信号从电压转换为电流；Q5、Q6、Q7和Q8构成跨导放大器，为电流输出电路的推电流的电流镜电路；Q13、Q14、Q15和Q16是构成跨导放大器用的电流输出电路的拉电流用的电流镜电路；Q9和Q10将Q1的输出电流的极性变换为拉电流的电流镜电路；Q11、Q12将Q4的输出电流的极性转换为推电流的电流镜电路；Q6、Q13是图7的跨导放大器的IOUT3，同样Q8、Q16是跨导放大器的IOUT2、Q7、Q15是跨导放大器的IOUT1。
实施例二
采用增强特性的MOS型FET构成图9所示的传感器信号处理电路，如图16所示；其中Q3和Q4构成差动放大器，将输入的低电压侧信号从电压转换为电流；Q1和Q2构成差动放大器，将输入的高电压侧信号从电压转换为电流；Q5、Q6、Q7和Q8构成跨导放大器，为电流输出电路的推电流的电流镜电路；Q13、Q14、Q15和Q16是构成跨导放大器用的电流输出电路的拉电流用的电流镜电路；Q9和Q10将Q1的输出电流的极性变换为拉电流的电流镜电路；Q11、Q12将Q4的输出电流的极性转换为推电流的电流镜电路；Q6、Q13是图7的跨导放大器的IOUT3，同样Q8、Q16是跨导放大器的IOUT2、Q7、Q15是跨导放大器的IOUT1。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种传感器信号处理电路，利用被所述反转放大器放大的时间常数与所述跨导放大器产生的负反馈及逆行共同作用，将所述反转放大器的负向输入端电压达到正向输入端的Vref电压的方式进行负反馈，从而消除了传感器的时间漂移和温度漂移；本发明又通过后续的时间常数的放大功能将配置在反馈路径上的电容值最小化，所以利用不会发生蒸发现象的陶瓷电容器，避免了电容器电容值的消移。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种传感器信号处理电路，其特征在于，包括反转放大器和跨导放大器，连接于传感器电路的输出端；
所述反转放大器包括三个电阻、第一电容和第一运算放大器；第一电阻连接于输入电压与第一运算放大器的反向输入端，第二电阻连接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，第三电阻连接于所述第一运算放大器的正向输入端和参考电压之间，第一电容与所述第二电阻进行并联；所述第一运算放大器的反向输入端连接于所述传感器电路的输出端；
所述跨导放大器包括两个电阻、第二电容和第二运算放大器；第四电阻连接于所述第二运算放大器的正向输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，第五电阻连接于所述第二运算放大器的反向输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，所述第二电容连接于所述第二运算放大器的反向输入端和接地端之间；所述第二运算放大器的输出端与所述第一运算放大器的反向输入端相连；
所述跨导放大器的电流输出端电路分为3个系统，包括第三跨导放大器、第四跨导放大器和第五跨导放大器；所述第二运算放大器中设有正向输入端、反向输入端、正向输出端和反向输出端；所述第三跨导放大器、所述第四跨导放大器和所述第五跨导放大器的正向输入端和反向输入端均分别连接于所述第二运算放大器的正向输出端和反向输出端，所述第三跨导放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的反向输入端，所述第四跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的反向输入端，所述第五跨导放大器的输出端连接于所述第二运算放大器的正向输入端。
2.根据权利要求1所述的传感器信号处理电路，其特征在于，采用电流镜电路作为所述跨导放大器中的输出电路，所述第二运算放大器中设有三个输出端、一个正向输入端和一个反向输入端；三个所述输出端分别连接于所述第二运算放大器的正向输入端、反向输入端和所述第一运算放大器的反向输入端。
3.根据权利要求1所述的传感器信号处理电路，其特征在于，采用双极型晶体管构成所述传感器信号处理电路。
4.根据权利要求1所述的传感器信号处理电路，其特征在于，采用增强特性的MOS型FET构成所述传感器信号处理电路。
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