CN115021696B - 一种电荷放大器电路及振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，提供了一种电荷放大器电路及振动传感器，包括放大电路，其被配置为将电荷发生元件产生的电荷转换为对应的电压信号并进行电荷放大；放大电路包括一场效应管，场效应管的栅极与电荷发生元件电连接，其漏极和源极均与电压信号的输出端口电连接。本发明的优点在于通过采用场效应管组成电荷放大电路，替代现有技术中采用集成运算放大器的方案，由简单的分立器件构成，器件较少，可实现小型化产品应用，并且具有较高的使用温度和动态频域、低噪声能力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电荷放大器电路及振动传感器。
背景技术
在使用压电晶体传感器的测试系统中，传感器的感应部分能将机械量转变成微弱的电荷量，并且输出阻抗极高。而通过适配电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
现有电荷放大器电路多数采用集成运算放大器进行设计，虽可实现电荷放大的功能，但存在以下缺点：
1、电荷放大器基本基于集成运算放大器作为核心器件进行设计，该方案工作温度较低，噪声偏高，动态性能偏低，外围电路较为复杂，不利于小型化产品使用；
2、匹配两线制输出接口，现有电路设计方案需要更加复杂的电路来实现其功能；
3、现有传感器电荷放大器往往采用外置TEDS器件实现数据记录或采集的功能；
4、现有电路抗干扰能力较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电荷放大器电路及振动传感器，用以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电荷放大器电路，其与电荷发生元件电连接，包括放大电路，其被配置为将电荷发生元件产生的电荷转换为对应的电压信号并进行电荷放大；所述放大电路包括一场效应管，所述场效应管的栅极与电荷发生元件电连接，其漏极和源极均与电压信号的输出端口电连接。
进一步的，场效应管的漏极与所述电压信号的输出端口之间设置有电阻R2，所述电阻R2与所述输出端口连接的一端与电阻R1电连接，所述电阻R1的另一端分别与电阻R3的一端和电阻R5的一端电连接，所述电阻R3的另一端与所述场效应管的栅极电连接，所述电阻R5的另一端与所述场效应管的栅极电连接。
进一步的，在所述场效应管的源极与电压信号的输出端口之间设置有一稳压二极管V6，所述稳压二极管V6的负极与所述场效应管的源极电连接。
进一步的，包括负反馈电路，所述负反馈电路中设置有电容C1，所述电容C1的一端与所述电压信号的输出端口连接，其另一端与所述场效应管的栅极电连接。
进一步的，包括阻抗变换电路，所述阻抗变换电路中设置有三极管V2，所述三极管V2的基极与所述场效应管的漏极电连接，其发射极和集电极均与所述电压信号的输出端口电连接。
进一步的，包括TEDS电路，其中设置有TEDS芯片及二极管V1，所述TEDS芯片的第一端口与所述二极管V1串联后，并联设置在所述电压信号的输出端口上。
进一步的，包括电荷输入保护电路，其中设置有电容C2、电阻R4以及阵列二极管V5，所述电容C4串联于电荷发生元件与场效应管的栅极之间，所述电阻R4与场效应管栅极连接的一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与阵列二极管V5串联后与所述电压信号的输出端口电连接。
进一步的，包括防护电路，所述防护电路中设置有TVS管V3，所述TVS管V3并联设置于所述电压信号的输出端口的两端。
本发明的另一方面还提供了一种振动传感器，包括上述的电荷放大器电路。
本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：
（1）通过场效应管组成电荷放大电路，替代现有技术中采用集成运算放大器的方案，具有较高的使用温度和动态频域、低噪声能力；
（2）该电荷放大电路，由运算放大器改为场效应管电路后，由简单的分立器件构成，器件较少，可实现小型化产品应用；
（3）本电荷放大器电路中自带TEDS电路，可实现对调试、校准及出厂测试数据信息的记录。
附图说明
图1是本发明实施例中电荷放大器电路的架构示意图；
图2是本发明实施例中电荷放大器电路的电路图。
具体实施方式
需要说明，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1和图2所示，本发明提供了一种电荷放大器电路，该电路主要由防护电路、阻抗变换电路、放大电路、TEDS电路、负反馈电路及信号输入保护电路组成。其中，放大电路被配置为将电荷发生元件CR产生的电荷转换为对应的电压信号并进行电荷放大。
放大电路中包括一场效应管V4（N沟道增强型MOSFET），场效应管V4的栅极与电荷发生元件CR电连接，其漏极和源极均与电压信号的输出端口电连接。场效应管V4的漏极与电压信号的输出端口之间设置有电阻R2，电阻R2与输出端口连接的一端与电阻R1电连接，电阻R1的另一端分别与电阻R3的一端和电阻R5的一端电连接，电阻R3的另一端与场效应管V4的栅极电连接，电阻R5的另一端与场效应管V4的栅极电连接。
场效应管V4的源极与电压信号的输出端口之间设置有一稳压二极管V6，稳压二极管V6的负极与场效应管V6的源极电连接。
负反馈电路中设置有电容C1，电容C1的一端与电压信号的输出端口连接，其另一端与场效应管V4的栅极电连接。
该放大电路中，由场效应管V4外围的电阻R3、电阻R1和电阻R5实现电荷转换为电压信号，并由场效应管V4对转换后的电压信号进行增益放大。
本发明通过采用场效应管V4组成放大电路的方式，替代现有技术中采用集成运算放大器的方案，由简单的分立器件构成，器件较少，可实现小型化产品应用，并且具有较高的使用温度和动态频域、低噪声能力。
阻抗变换电路中设置有三极管V2，三极管V2的基极与场效应管V4的漏极电连接，其发射极和集电极均与电压信号的输出端口电连接，能够实现整个电路较低的输出阻抗。
TEDS电路，其中设置有TEDS（Transducer ElectronicData Sheet，传感器电子数据表窗口）芯片及二极管V1，TEDS芯片的第一端口与二极管V1串联后，并联设置在电压信号的输出端口上。
TEDS芯片能够带有传感信号的独特信息，其数据格式与IEEE1451.1标准兼容。TEDS电路可实现调试、校准及出厂测试数据记录或采集的功能。本发明通过内置TEDS芯片，使得电荷发生元件CR两端产生的经转换后的电压信号直接存储到微型存储器TEDS中，并且可实现由TEDS芯片内存储的数据对输出的电压信号进行校准的功能，这显著简化了后续传感器的处理过程。
电荷输入保护电路，其中设置有电容C2、电阻R4以及阵列二极管V5，所述电容C4串联于电荷发生元件与场效应管的栅极之间，所述电阻R4与场效应管栅极连接的一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与阵列二极管V5串联后与所述电压信号的输出端口电连接。该电荷输入保护电路避免场效应管V4的栅极由于过冲电压或电荷造成损坏。
防护电路中设置有TVS管V3，TVS管V3并联设置于所述电压信号的输出端口的两端。该防护电路通过TVS管使电路具有较高的防浪涌能力。
本发明的另一方面还提供了一种振动传感器，其中包括上述的电荷放大器电路，通过简单的分立器件实现电荷与电压信号之间的转换以及电压信号的增益放大，对振动传感器的小型化产品应用具有促进作用。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种电荷放大器电路，其与电荷发生元件电连接，其特征在于，
包括放大电路，其被配置为将电荷发生元件产生的电荷转换为对应的电压信号并进行电荷放大；所述放大电路包括一场效应管，所述场效应管的栅极与电荷发生元件电连接，其漏极和源极均与电压信号的输出端口电连接；
所述场效应管的漏极与所述电压信号的输出端口之间设置有电阻R2，所述电阻R2与所述输出端口连接的一端与电阻R1电连接，所述电阻R1的另一端分别与电阻R3的一端和电阻R5的一端电连接，所述电阻R3的另一端与所述场效应管的栅极电连接，所述电阻R5的另一端与所述场效应管的栅极电连接；
包括负反馈电路，所述负反馈电路中设置有电容C1，所述电容C1的一端与所述电压信号的输出端口连接，其另一端与所述场效应管的栅极电连接；
在所述场效应管的源极与电压信号的输出端口之间设置有一稳压二极管V6，所述稳压二极管V6的负极与所述场效应管的源极电连接；
包括阻抗变换电路，所述阻抗变换电路中设置有三极管V2，所述三极管V2的基极与所述场效应管的漏极电连接，其发射极和集电极均与所述电压信号的输出端口电连接；
包括电荷输入保护电路，其中设置有电容C2、电阻R4以及阵列二极管V5，所述电容C4串联于电荷发生元件与场效应管的栅极之间，所述电阻R4与场效应管栅极连接的一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与阵列二极管V5串联后与所述电压信号的输出端口电连接。
2.根据权利要求1所述的一种电荷放大器电路，其特征在于，
包括TEDS电路，其中设置有TEDS芯片及二极管V1，所述TEDS芯片的第一端口与所述二极管V1串联后，并联设置在所述电压信号的输出端口上。
3.根据权利要求1所述的一种电荷放大器电路，其特征在于，
包括防护电路，所述防护电路中设置有TVS管V3，所述TVS管V3并联设置于所述电压信号的输出端口的两端。
4.一种振动传感器，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的电荷放大器电路。
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