CN204465507U - 用于压电集成电路iepe传感器的差分输入缓冲电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路。该缓冲电路包括：第一供电电源和恒流电路，第一供电电源通过恒流电路连接IEPE传感器正端，提供第一电压信号；差分检测电路，检测并输出IEPE传感器正端电压与负端电压间的中点电压；第二供电电源，提供与第一电压信号幅度相同、相位相反的第二电压信号；负端阻抗控制电路，根据中点电压调节IEPE传感器负端与第二供电电源间阻抗，使IEPE传感器负端电压信号与正端电压信号形成为一对差分信号；信号处理电路，对IEPE传感器正端电压信号和负端电压信号进行交流耦合，将耦合的正端电压信号和负端电压信号输出至输出缓冲运放。由此，可提高信号抗干扰能力，提高电路可靠性。

Description

用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路

技术领域

本实用新型涉及测试测量技术领域，具体地，涉及一种用于压电集成电路(IEPE)传感器的差分输入缓冲电路。

背景技术

IEPE传感器是一种使用两线恒流供电，通过传感器内电路的阻抗变化来调节输入两线间电压而进行模拟信号传输的一种传感器技术。这种传感器的内部电路与外壳间是绝缘的。

图1示出了现有的用于IEPE传感器的输入缓冲电路图。如图1所示，现有的用于IEPE传感器的输入缓冲电路主要包括：供电电源2c、恒流电路2、交流(AC)耦合电路以及输出缓冲运放3，其中，所述供电电源2c通过恒流电路2与所述IEPE传感器1的正端连接，所述AC耦合电路包括交流耦合电容4和交流耦合电阻5，所述交流耦合电容4的一端与IEPE传感器1的正端连接，所述交流耦合电容4的另一端与所述输出缓冲运放3连接，所述交流耦合电阻5的一端连接在所述交流耦合电容4和所述输出缓冲运放3之间的通路上，所述交流耦合电阻5的另一端与IEPE传感器1的负端连接并接地。所述AC耦合电路可以用于对IEPE传感器1的正端的电压信号进行交流耦合，并将经耦合的电压信号输出至输出缓冲运放3，以由该输出缓冲运放3进行处理输出。

从图1可以看出，在现有的用于IEPE传感器的输入缓冲电路中，常常需要提供一个单独的供电电源2c来向外部的IEPE传感器1提供一个工作电流，这个单独的电源电压较高(电压幅度例如表示为Vsn)，通常需要进行升压才能得到，这不但增加了电源的复杂性，还降低了电源效率，也不容易对其进行低噪声处理。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够简化电源设计、提高电源效率的用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路，该差分输入缓冲电路包括：第一供电电源和恒流电路，所述第一供电电源通过所述恒流电路与所述IEPE传感器的正端连接，该第一供电电源用于提供第一电压信号；差分检测电路，与所述IEPE传感器的正端连接，并与所述IEPE传感器的负端连接，用于检测所述IEPE传感器的正端电压与负端电压之间的中点电压，并输出该中点电压；第二供电电源，用于提供与所述第一电压信号幅度相同、相位相反的第二电压信号；负端阻抗控制电路，与所述差分检测电路、所述第二供电电源和所述IEPE传感器的负端连接，用于根据所述差分检测电路输出的所述中点电压调节所述IEPE传感器的负端与所述第二供电电源间的阻抗，以使所述IEPE传感器的负端电压信号与所述IEPE传感器的正端电压信号形成为一对差分信号；以及信号处理电路，与所述IEPE传感器的正端连接，并与所述IEPE传感器的负端连接，用于对所述IEPE传感器的正端电压信号进行交流耦合、以及对所述IEPE传感器的负端电压信号进行交流耦合，并将经耦合的正端电压信号和经耦合的负端电压信号输出至输出缓冲运放。

优选地，所述差分检测电路包括：第一差分检测电阻和第二差分检测电阻，其中，所述第一差分检测电阻的一端与所述IEPE传感器的正端连接，所述第一差分检测电阻的另一端与所述第二差分检测电阻的一端连接，所述第二差分检测电阻的另一端与所述IEPE传感器的负端连接。

优选地，所述负端阻抗控制电路包括：差分反馈运放和结型场效应晶体管(JFET)，其中，所述差分反馈运放的正输入端接地，所述差分反馈运放的负输入端连接在所述第一差分检测电阻和所述第二差分检测电阻之间的通路上，所述差分反馈运放的输出端与所述JFET的栅极连接，所述JFET的源极与所述IEPE传感器的负端连接，以及所述JFET的漏极与所述第二供电电源连接。

优选地，所述JFET为P沟道JFET。

优选地，所述负端阻抗控制电路还包括反馈耦合电容，该反馈耦合电容的一端与所述差分反馈运放的负输入端连接，该反馈耦合电容的另一端与所述差分反馈运放的输出端连接。

优选地，所述负端阻抗控制电路还包括反馈限流电阻，该反馈限流电阻的一端与所述差分反馈运放的输出端连接，该反馈限流电阻的另一端与所述JFET的栅极连接。

优选地，所述信号处理电路包括：第一交流耦合电容、第一交流耦合电阻、第二交流耦合电容和第二交流耦合电阻，其中，所述第一交流耦合电容的一端与所述IEPE传感器的正端连接，所述第一交流耦合电容的另一端与所述输出缓冲运放的正输入端连接；所述第二交流耦合电容的一端与所述IEPE传感器的负端连接，所述第二交流耦合电容的另一端与所述输出缓冲运放的负输入端连接；所述第一交流耦合电阻的一端连接在所述第一交流耦合电容与所述输出缓冲运放的正输入端之间的通路上，所述第一交流耦合电阻的另一端与所述第二交流耦合电阻的一端连接，所述第二交流耦合电阻的另一端连接在所述第二交流耦合电容与所述输出缓冲运放的负输入端之间的通路上；所述第一交流耦合电阻与所述第二交流耦合电阻之间接地。

优选地，所述信号处理电路还包括：第一直流衰减电阻和第二直流衰减电阻，其中，所述第一直流衰减电阻与所述第一交流耦合电容并联，所述第二直流衰减电阻与所述第二交流耦合电容并联。

在上述技术方案中，通过负端阻抗控制电路对IEPE传感器与第二供电电源间的阻抗调节，可以将电压的传输变为差分输入，相比于单端电压，这样可以提升整个差分输入缓冲电路的抗干扰能力，并且电源的复杂性得以降低，电源的效率得以提高，降低了电源噪声。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是现有的用于IEPE传感器的输入缓冲电路图；

图2是本实用新型一种实施方式提供的用于IEPE传感器的差分输入缓冲电路示意图；

图3是本实用新型一种实施方式提供的用于IEPE传感器的差分输入缓冲电路的详细的电路图；

图4是本实用新型另一种实施方式提供的用于IEPE传感器的差分输入缓冲电路的详细的电路图；以及

图5是本实用新型一种按照图4实施方式提供的信号处理电路的频响特性示意图。

附图标记说明

1   IEPE传感器        2   恒流电路

2a  第一供电电源      2b  第二供电电源

2c  供电电源          3   输出缓冲运放

4   交流耦合电容      5   交流耦合电阻

4a  第一交流耦合电容  4b  第二交流耦合电容

5a  第一交流耦合电阻  5b  第二交流耦合电阻

6a  第一直流衰减电阻  6b  第二直流衰减电阻

7a  第一差分检测电阻  7b  第二差分检测电阻

8   差分反馈运放      9   JFET

10  反馈限流电阻      11  反馈耦合电容

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

图2是本实用新型一种实施方式提供的用于IEPE传感器的差分输入缓冲电路示意图。如图2所示，该差分输入缓冲电路可以包括：第一供电电源2a和恒流电路2，该第一供电电源2a通过恒流电路2与IEPE传感器1的正端连接，所述第一供电电源2a可以用于提供第一电压信号(例如，该第一电压信号的电压幅度可以为图1中的单独的供电电源2c提供的电压信号的幅度的一半，即，可以表示为Vsn/2)。所述差分输入缓冲电路还可以包括差分检测电路，该差分检测电路与IEPE传感器1的正端连接，并与IEPE传感器1的负端连接，可以用于检测IEPE传感器1的正端电压与负端电压之间的中点电压，并可以输出该中点电压。所述差分输入缓冲电路还可以包括第二供电电源2b，该第二供电电源2b可以用于提供与所述第一电压信号幅度相同、相位相反的第二电压信号(例如，可以表示为-Vsn/2)。所述差分输入缓冲电路还可以包括负端阻抗控制电路，该负端阻抗控制电路可以与所述差分检测电路、所述第二供电电源2b和所述IEPE传感器1的负端连接，可以用于根据所述差分检测电路输出的中点电压调节IEPE传感器1的负端与第二供电电源2b间的阻抗，以使IEPE传感器1的负端电压信号与IEPE传感器1的正端电压信号形成为一对差分信号。所述差分输入缓冲电路还可以包括信号处理电路，该信号处理电路可以与IEPE传感器1的正端连接，并可以与IEPE传感器1的负端连接，可以用于对IEPE传感器1的正端电压信号进行交流耦合、以及对IEPE传感器1的负端电压信号进行交流耦合，并可以将经耦合的正端电压信号和经耦合的负端电压信号输出至输出缓冲运放3。

在上述技术方案中，通过提供第一供电电源2a和第二供电电源2b，电源参考到地的电压降低了一半，而IEPE传感器1由于是恒流供电，IEPE传感器1两端的电压电流特性保持不变。这样可以不用使用噪声较大的升压电路，电源的复杂性得以降低，电源的效率得以提高，为IEPE传感器1供电的电源噪声也得以降低。同时这个供电电压因为与后续缓冲电路保持一致，其产生的信号可以直接输出给后续电路而不会对后续电路造成破坏，提高了电路的可靠性。

图3是本实用新型一种实施方式提供的用于IEPE传感器的差分输入缓冲电路的详细的电路图。如图3所示，所述差分检测电路可以包括第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b。其中，第一差分检测电阻7a的一端与IEPE传感器1的正端连接，另一端与第二差分检测电阻7b的一端连接，第二差分检测电阻7b的另一端与IEPE传感器1的负端连接，所述第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b可以用于检测IEPE传感器1的正端电压与负端电压之间的中点电压，并可以输出该中点电压(例如，该中点电压为零点电压)。为了降低第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b对整体输入阻抗的影响，第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b可以选用大于或等于1MΩ的电阻，且第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b的阻值可以相等。采用高阻值的第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b，使得其带来的电流分流对后续电路的影响极小。应当理解的是，所述第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b的阻值只是用于说明本实用新型，并不用于限制本实用新型，其他阻值的第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b同样适用于本实用新型。

此外，如图3所示，所述负端阻抗控制电路可以包括差分反馈运放8和结型场效应晶体管JFET 9(该JFET 9为P沟道JFET)。其中，差分反馈运放8的正输入端接地，负输入端连接在第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b之间的通路上，差分反馈运放8的输出端与JFET 9的栅极G连接；JFET 9的源极S与IEPE传感器1的负端连接，JFET 9的漏极D与第二供电电源2b连接，所述负端阻抗控制电路可以用于调整IEPE传感器1的负端与第二供电电源2b间的阻抗。通过第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b检测IEPE传感器1两端的中点电压，再通过差分反馈运放8调节JFET 9的阻抗，当电流流过JFET 9的时候，就会在IEPE传感器1的负端产生一个与正端大小相等、方向相反的信号，与IEPE传感器1的正端形成一对差分信号对。

当IEPE传感器1两端不为差分信号时，必然导致第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b检测到的中点电压不在零点。如果第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b中间的分压高于零点，差分反馈运放8会产生一个相对于IEPE传感器1负端的负压，降低JFET 9的阻抗，同时IEPE传感器1负端的电压降低，从而使第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b中间的分压回到零点。如果第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b的分压低于零点，差分反馈运放8会产生一个相对于IEPE传感器1负端的正压，提高JFET 9的阻抗，同时IEPE传感器1负端电压升高，从而使第一差分检测电阻7a和第二差分检测电阻7b中间的分压回到零点。这样，就可以始终保持IEPE传感器1的正、负两端形成为一对差分信号对，从而保证电路的稳定性。

另外，由于IEPE传感器1内部电路对外壳绝缘，流入IEPE传感器1的恒定电流会从JFET 9上完全流回，通过调整，IEPE传感器1输入的正端和负端上产生的信号就是大小相等、方向相反的差分信号。需要说明的是，此处的差分反馈运放8和JFET 9的电子器件为本技术领域所公知的，本实用新型不做具体阐述。

在优选的实施方式中，所述负端阻抗控制电路还可以包括反馈耦合电容11，该反馈耦合电容11的一端与差分反馈运放8的负输入端连接，该反馈耦合电容11的另一端与差分反馈运放8的输出端连接，用于防止差分反馈运放8出现自激震荡。

在另一优选的实施方式中，所述负端阻抗控制电路还可以包括反馈限流电阻10，该反馈限流电阻10的一端与差分反馈运放8的输出端连接，该反馈限流电阻10的另一端与JFET 9的栅极G连接，用于在JFET 9出现偏流时对电路进行限流保护。

此外，如图3所示，所述信号处理电路可以包括第一交流耦合电容4a、第一交流耦合电阻5a、第二交流耦合电容4b和第二交流耦合电阻5b。其中，第一交流耦合电容4a的一端与IEPE传感器1的正端连接，第一交流耦合电容4a的另一端与输出缓冲运放3的正输入端连接；第二交流耦合电容4b的一端与IEPE传感器1的负端连接，第二交流耦合电容4b的另一端与输出缓冲运放3的负输入端连接；第一交流耦合电阻5a的一端连接在第一交流耦合电容4a与输出缓冲运放3的正输入端之间的通路上，第一交流耦合电阻5a的另一端与第二交流耦合电阻5b的一端连接，第二交流耦合电阻5b的另一端连接在第二交流耦合电容4b与输出缓冲运放3的负输入端之间的通路上；第一交流耦合电阻5a与第二交流耦合电阻5b之间接地。所述第一交流耦合电容4a和第一交流耦合电阻5a可以用于对IEPE传感器1的正端电压信号进行交流耦合，而第二交流耦合电容4b和第二交流耦合电阻5b可以用于对IEPE传感器1的负端电压信号进行交流耦合。之后，将经耦合的正端电压信号和经耦合的负端电压信号的交流部分无衰减地输出至输出缓冲运放3，以由输出缓冲运放3进行处理输出。

在现有的用于IEPE传感器1的输入缓冲电路中，供电电源2c提供的是一个单端的电压信号，这个单端的电压信号通过AC耦合电路后，由输出缓冲运放3输出给后续电路。由于直接采用了AC耦合电路，就会丢失直流(DC)电压信号，因此，输出缓冲运放3以及后续电路不能检测出IEPE传感器1的工作状态是否正常。

为此，在本实用新型的一个优选的实施方式中，如图4所示，所述信号处理电路还可以包括第一直流衰减电阻6a和第二直流衰减电阻6b。其中，第一直流衰减电阻6a与第一交流耦合电容4a并联，第二直流衰减电阻6b与第二交流耦合电容4b并联。所述第一直流衰减电阻6a可以用于对IEPE传感器1的正端电压信号进行直流分压，以及所述第二直流衰减电阻6b可以用于对IEPE传感器1的负端电压信号进行直流分压。之后，将经直流衰减的正端电压信号的直流部分和经交流耦合的正端电压信号的交流部分进行混合，并将混合后的信号输出至输出缓冲运放3的正输入端；以及，将经直流衰减的负端电压信号的直流部分和经交流耦合的负端电压信号的交流部分进行混合，并将混合后的信号输出至输出缓冲运放3的负输入端。这样，输出缓冲运放3既可以检测到原生的交流信号，又可以检测到由直流部分携带的IEPE传感器1的工作状态信号，从而实现对IEPE传感器1的工作状态的监测。

此外，由第一交流耦合电容4a、第一交流耦合电阻5a、第一直流衰减电阻6a和第二交流耦合电容4b、第二交流耦合电阻5b、第二直流衰减电阻6b形成的信号处理电路(即，用于进行交流耦合、直流衰减的电路)可以将直流信号减小到比交流信号还低的量级，这样就可以让后续的电路既能够得到高品质的有效的交流信号，又能够得到对IEPE传感器1工作状态进行判断的直流信号。其转换公式为：

Uo/Ui＝R5/(1/((jω₁C1+1/R3)+R5)  (1)

Uo′/Ui′＝R6/(1/((jω₂C2+1/R4)+R6)  (2)

在公式(1)中，Uo为经直流衰减的正端电压信号的直流部分和经交流耦合的正端电压信号的交流部分进行混合后的信号；Ui为IEPE传感器1的正端电压信号；R5为第一交流耦合电阻5a；ω₁为正端电压信号的角频率；C1为第一交流耦合电容4a；R3为第一直流衰减电阻6a。在公式(2)中，Uo′为经直流衰减的负端电压信号的直流部分和经交流耦合的负端电压信号的交流部分进行混合后的信号；Ui′为IEPE传感器1的负端电压信号；R6为第二交流耦合电阻5b，ω₂为负端电压信号的角频率，并且ω₁＝ω₂；C2为第二交流耦合电容4b，R4为第二直流衰减电阻6b。IEPE传感器1的两端电压信号经信号处理电路后产生的频响特性如图5所示。从图5可以看出，电压信号的交流部分完全通过，直流部分衰减后通过。

综上所述，在本实用新型提供的用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路中，通过负端阻抗控制电路对IEPE传感器与第二供电电源间的阻抗调节，可以将电压的传输变为差分输入，相比于单端电压，这样可以提升整个差分输入缓冲电路的抗干扰能力，并且电源的复杂性得以降低，电源的效率得以提高，降低了电源噪声。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (8)

1.一种用于压电集成电路IEPE传感器的差分输入缓冲电路，其特征在于，该差分输入缓冲电路包括：

第一供电电源(2a)和恒流电路(2)，所述第一供电电源(2a)通过所述恒流电路(2)与所述IEPE传感器(1)的正端连接，该第一供电电源(2a)用于提供第一电压信号；

差分检测电路，与所述IEPE传感器(1)的正端连接，并与所述IEPE传感器(1)的负端连接，用于检测所述IEPE传感器(1)的正端电压与负端电压之间的中点电压，并输出该中点电压；

第二供电电源(2b)，用于提供与所述第一电压信号幅度相同、相位相反的第二电压信号；

负端阻抗控制电路，与所述差分检测电路、所述第二供电电源(2b)和所述IEPE传感器(1)的负端连接，用于根据所述差分检测电路输出的所述中点电压调节所述IEPE传感器(1)的负端与所述第二供电电源(2b)间的阻抗，以使所述IEPE传感器(1)的负端电压信号与所述IEPE传感器(1)的正端电压信号形成为一对差分信号；以及

信号处理电路，与所述IEPE传感器(1)的正端连接，并与所述IEPE传感器(1)的负端连接，用于对所述IEPE传感器(1)的正端电压信号进行交流耦合、以及对所述IEPE传感器(1)的负端电压信号进行交流耦合，并将经耦合的正端电压信号和经耦合的负端电压信号输出至输出缓冲运放(3)。

2.根据权利要求1所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述差分检测电路包括：第一差分检测电阻(7a)和第二差分检测电阻(7b)，其中，所述第一差分检测电阻(7a)的一端与所述IEPE传感器(1)的正端连接，所述第一差分检测电阻(7a)的另一端与所述第二差分检测电阻(7b)的一端连接，所述第二差分检测电阻(7b)的另一端与所述IEPE传感器(1)的负端连接。

3.根据权利要求2所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述负端阻抗控制电路包括：差分反馈运放(8)和结型场效应晶体管JFET(9)，其中，所述差分反馈运放(8)的正输入端接地，所述差分反馈运放(8)的负输入端连接在所述第一差分检测电阻(7a)和所述第二差分检测电阻(7b)之间的通路上，所述差分反馈运放(8)的输出端与所述JFET(9)的栅极连接，所述JFET(9)的源极与所述IEPE传感器(1)的负端连接，以及所述JFET(9)的漏极与所述第二供电电源(2b)连接。

4.根据权利要求3所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述JFET(9)为P沟道JFET。

5.根据权利要求3所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述负端阻抗控制电路还包括反馈耦合电容(11)，该反馈耦合电容(11)的一端与所述差分反馈运放(8)的负输入端连接，该反馈耦合电容(11)的另一端与所述差分反馈运放(8)的输出端连接。

6.根据权利要求3所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述负端阻抗控制电路还包括反馈限流电阻(10)，该反馈限流电阻(10)的一端与所述差分反馈运放(8)的输出端连接，该反馈限流电阻(10)的另一端与所述JFET(9)的栅极连接。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述信号处理电路包括：第一交流耦合电容(4a)、第一交流耦合电阻(5a)、第二交流耦合电容(4b)和第二交流耦合电阻(5b)，其中，所述第一交流耦合电容(4a)的一端与所述IEPE传感器(1)的正端连接，所述第一交流耦合电容(4a)的另一端与所述输出缓冲运放(3)的正输入端连接；所述第二交流耦合电容(4b)的一端与所述IEPE传感器(1)的负端连接，所述第二交流耦合电容(4b)的另一端与所述输出缓冲运放(3)的负输入端连接；所述第一交流耦合电阻(5a)的一端连接在所述第一交流耦合电容(4a)与所述输出缓冲运放(3)的正输入端之间的通路上，所述第一交流耦合电阻(5a)的另一端与所述第二交流耦合电阻(5b)的一端连接，所述第二交流耦合电阻(5b)的另一端连接在所述第二交流耦合电容(4b)与所述输出缓冲运放(3)的负输入端之间的通路上；所述第一交流耦合电阻(5a)与所述第二交流耦合电阻(5b)之间接地。

8.根据权利要求7所述的差分输入缓冲电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括：第一直流衰减电阻(6a)和第二直流衰减电阻(6b)，其中，所述第一直流衰减电阻(6a)与所述第一交流耦合电容(4a)并联，所述第二直流衰减电阻(6b)与所述第二交流耦合电容(4b)并联。