[发明专利]基于场效应管的两线制内置电荷放大电路

说明书

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。

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；