本發(fā)明基于場效應(yīng)管的兩線制內(nèi)置電荷放大電路用于將高阻抗電荷輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換放大成低阻抗輸出信號(hào)電壓與直流偏置電壓復(fù)合的輸出電信號(hào)，屬于低噪聲兩線制電荷-電壓轉(zhuǎn)換放大電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)集成電荷-電壓轉(zhuǎn)換功能的壓電振動(dòng)傳感器或機(jī)載振動(dòng)放大器在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、新型或新研航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用與推廣?，F(xiàn)有電荷-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)，一般由集成運(yùn)放加反饋電容構(gòu)成主體電路再加二級(jí)信號(hào)增益調(diào)節(jié)達(dá)到用戶需要的信號(hào)電壓范圍。但現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷：

1)運(yùn)放、反饋電容及增益調(diào)節(jié)電阻式的結(jié)構(gòu)，增加了對(duì)反饋電容和增益調(diào)節(jié)電阻等電子元器件的精度要求；

2)運(yùn)放加反饋電容結(jié)構(gòu)形式電路，轉(zhuǎn)換放大及調(diào)整的級(jí)數(shù)較多，降低了信號(hào)轉(zhuǎn)換的信噪比；

3)反饋電容的存在對(duì)信號(hào)頻寬或信號(hào)處理頻響上限產(chǎn)生了一定的限制；

4)現(xiàn)有技術(shù)需要運(yùn)放等集成電路，內(nèi)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)噪聲源較多；

5)運(yùn)放、反饋電容式的電路結(jié)構(gòu)，體積較大，難以實(shí)現(xiàn)微小型化封裝；

6)傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)需要電源單端或雙端供電，供電線、信號(hào)線及地線需要單獨(dú)走線，對(duì)信號(hào)線的數(shù)量、布線及成本要求較多；

7)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無直流監(jiān)控電壓，無法監(jiān)控器件是否正常工作；

8)壓電傳感器與機(jī)載振動(dòng)放大器分體易形成對(duì)低噪聲電纜的依賴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的：為了實(shí)現(xiàn)電荷-電壓轉(zhuǎn)換兩線制信號(hào)傳輸及直流偏置監(jiān)測電壓輸出要求，并簡化電路結(jié)構(gòu)，減少電子元器件數(shù)目，提高低噪聲能力和微小型化集成要求，兼顧寬頻響應(yīng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍、輸出帶載能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)本電路。

本發(fā)明技術(shù)方案：

基于場效應(yīng)管的兩線制內(nèi)置電荷放大電路，所述元件包括電容C0、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、場效應(yīng)管N-JFET、PNP晶體管T1、NPN晶體管T2。

電荷信號(hào)輸入端與電容C0、電阻R1及場效應(yīng)管N-JFET柵、源極并聯(lián)，電容C0實(shí)現(xiàn)低通濾波截止頻率調(diào)節(jié)，濾去高頻噪聲。電荷流經(jīng)電阻R1產(chǎn)生的電壓通過場效應(yīng)管N-JFET實(shí)現(xiàn)小信號(hào)壓控電流變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換。電阻R2串接在場效應(yīng)管N-JFET的源極，調(diào)整場效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)。電阻R3、電阻R4跨接于電源及地，兩者連接節(jié)點(diǎn)3與場效應(yīng)管N-JFET的漏極及PNP晶體管T1發(fā)射極相連，主要用于實(shí)現(xiàn)電路偏置電壓調(diào)節(jié)與輸出。PNP晶體管T1基、射極連接場效應(yīng)管N-JFET的源、漏極，起著電流跟隨作用，還起著對(duì)小信號(hào)進(jìn)行一定的電壓放大作用，放大能力由PNP晶體管T1的等效輸出和輸入負(fù)載比決定。PNP晶體管T1集電極與電阻R5構(gòu)成NPN晶體管T2的基、射極輸入，電阻R5可起電壓放大能力調(diào)節(jié)作用。NPN晶體管T2的集電極連接電源，除放大交流信號(hào)外，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力并實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源的共線傳輸。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較大，在1Hz～50kHz頻率響應(yīng)范圍內(nèi)增益變化不大于1％，見電路仿真掃頻曲線圖、電路實(shí)測掃頻圖；

2)輸入動(dòng)態(tài)范圍寬，大于20000pC，也適用于沖擊型加速度傳感器；

3)電路輸入阻抗高，達(dá)到10⁶Ω～10⁹Ω；

4)電路元器件數(shù)目少穩(wěn)定性好，具有極小的噪聲；

5)輸入端低通濾波截止頻率可調(diào)，晶體管特征頻率高，應(yīng)用頻響寬；

6)輸出阻抗小，帶載能力高，一般小于100Ω；

7)恒流激勵(lì)電流范圍寬，一般能工作在+2mA～+20mA范圍，典型值為4mA；

8)工作電壓范圍較大+18VDC～+30VDC；

9)直流輸出偏置電壓為11VDC，偏置電壓誤差小，一般為0.5VDC；

10)電路絕緣電阻高，一般大于100MΩ，絕緣介電強(qiáng)度也不小于500V；

11)使用的場效應(yīng)管及雙極晶體管結(jié)溫為-55℃～150℃，最大工作電壓40V，輸出級(jí)三級(jí)管結(jié)溫為-65℃～150℃，最大工作電壓60V；

12)電路板基板材料選用電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料氧化鋁制作厚膜電路，該材料線膨脹系數(shù)低，抗熱震性好，體積電阻率高(不小于10¹³Ω·cm)，抗折強(qiáng)度(不小于200MPa)。

13)除表貼三極管器件，其余電阻元件可用電阻漿料燒結(jié)而成，可進(jìn)行激光精確調(diào)阻，易實(shí)現(xiàn)微小型化。

附圖說明

圖1是電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路

圖2是電路仿真掃頻曲線圖

圖3電路實(shí)測掃頻圖

圖4是典型應(yīng)用圖

其中，PEC是壓電組件等效電容，PEI是壓電組件等效電流源，U1是穩(wěn)壓芯片。

圖5是電路外形結(jié)構(gòu)

其中，1是表貼電子元器件，2是電路陶瓷基板，3是電極面。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

電路陶瓷基板2材料選用電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料氧化鋁，并在其上布局通過絲網(wǎng)印刷制作厚膜電路。通過電阻漿料燒制電阻元件R2～R5，其電阻均為kΩ級(jí)別可通過激光調(diào)阻實(shí)現(xiàn)電阻的細(xì)微調(diào)整，即電路增益與輸入輸出特性的調(diào)整，電阻R1一般為MΩ級(jí)別，可通過選用該電阻級(jí)別貼片電阻用高溫釬料實(shí)現(xiàn)焊裝。根據(jù)濾波及放大倍數(shù)微調(diào)需要，可增加表貼電容C0，一般為幾十到幾百pF級(jí)別。再將N溝道結(jié)型場效應(yīng)管N-JFET、PNP雙極晶體管T1及NPN雙極晶體管T2等表貼器件在電路板上用高溫釬料進(jìn)行焊裝。結(jié)型場效應(yīng)管N-JFET作為輸入級(jí)，通過激光調(diào)阻R2調(diào)整場效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)。偏置電路中的R3和R4用于調(diào)節(jié)電路節(jié)點(diǎn)3的電壓，和R2配合穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)還對(duì)電路的直流分量進(jìn)行調(diào)整，使直流輸出分量滿足要求。激光調(diào)阻調(diào)節(jié)R5可起著電壓放大能力調(diào)節(jié)作用。將電路電荷輸入極接至電極面3，實(shí)現(xiàn)與壓電元件輸出電荷無引線直接連接

將電路的輸入和輸出引線布置后，通過圖5用電荷模擬器(或等效電壓源)、恒流源及交直流電壓表監(jiān)測輸入輸出并激光調(diào)整電阻實(shí)現(xiàn)電路預(yù)定的電荷電壓轉(zhuǎn)換及放大功能。

實(shí)施例一

我公司某型號(hào)電荷輸出型產(chǎn)品與采用本發(fā)明所涉及結(jié)構(gòu)與技術(shù)的電路聯(lián)試，三極管元器件選型J201、9012及3904。實(shí)現(xiàn)了1mV/pC～10mV/pC的增益調(diào)節(jié)，電路增益調(diào)節(jié)能力不局限于此范圍，增益頻響偏差在50kHz范圍內(nèi)小于0.8％，125℃范圍增益偏差小于3％。電路最大外形不超過Φ13.4mm×Φ6.1mm×2mm 。