專利名稱：壓電換能器信號(hào)處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般涉及壓電換能器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
壓電換能器系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用。作為但不限于一個(gè)實(shí)例， 一些安全系統(tǒng)使用無(wú)源紅外(PIR)運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)在被監(jiān)控的空間的移動(dòng)， 無(wú)源紅外(PIR)運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)由于物體(例如人)和其背景環(huán)境之 間的溫度差引起的遠(yuǎn)紅外輻射(8-14微米波長(zhǎng))的變化。檢測(cè)后，運(yùn) 動(dòng)傳感器一般發(fā)送讀數(shù)給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)接下來(lái)可啟動(dòng)侵入"警報(bào)"， 改變室內(nèi)照明，打開(kāi)門，或者執(zhí)行一些其它功能。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn) 是簡(jiǎn)單和相對(duì)便宜。PIR傳感器的檢測(cè)器可包括測(cè)量遠(yuǎn)紅外輻射變化的熱電檢測(cè)器。 這種檢測(cè)器利用"壓電效應(yīng)"工作，其使電荷在存在機(jī)械應(yīng)變時(shí)遷移。 熱電4企測(cè)器釆取電容形式一兩個(gè)導(dǎo)電板由電介質(zhì)隔離。電介質(zhì)可以是 壓電陶瓷。當(dāng)遠(yuǎn)紅外輻射^f吏陶瓷中的溫度變化(和因此的一些機(jī)械應(yīng) 變)時(shí)，電荷從一個(gè)板向另一個(gè)板遷移。如果沒(méi)有外部電路(或者極 高阻抗電路)連接到檢測(cè)器("電壓輸出模式")，則可被測(cè)量的電壓 表現(xiàn)為"電容"電荷。如果相對(duì)低的阻抗的外部電路連接在板之間("電 流輸出模式")，則有電流流動(dòng)。電流輸出模式的壓電檢測(cè)器設(shè)置在跨導(dǎo)放大器電路中，在該電路 中，作為使得換能器的板之間的電壓大幅變化的替換方式，電荷經(jīng)高 阻抗運(yùn)算放大器的反饋電阻傳導(dǎo)而產(chǎn)生確立電路輸出信號(hào)的電壓。 "高"阻抗意味著至少107歐姆的阻抗。在此可以理解，由于必須測(cè)量壓電^r測(cè)器產(chǎn)生的少量電荷，因而 迄今為止用于壓電檢測(cè)器的常規(guī)的跨導(dǎo)電路需要相對(duì)貴的高阻抗運(yùn)算 放大器。因此，需要克服這些上述常規(guī)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題的系統(tǒng)和方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開(kāi)了用于可以用紅外運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)的、例如壓電遠(yuǎn)紅 外輻射檢測(cè)器的一些版本的壓電換能器信號(hào)處理電路。說(shuō)明了跨導(dǎo)和 電壓輸出模式電路。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電檢測(cè)器包括壓電換能器和電連接到所述換能器的跨導(dǎo)電路。所述跨導(dǎo)電路包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和連接到 所述FET的柵極的跨導(dǎo)電阻。所述電路還包括基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算 放大器的常數(shù)乘法電路。所述跨導(dǎo)電路能定義公共接地和不直接連接到所述公共接地的信 號(hào)基準(zhǔn)電壓。反饋電路信號(hào)可以來(lái)自FET的源極。在一些實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)ET 源極信號(hào)可以連接到基于離散時(shí)間釆樣運(yùn)算放大器的常數(shù)乘法電路的 輸入電壓線路，并且更具體地，可以連接到離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器 電路的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓線路。在另 一方面，壓電檢測(cè)器封裝包括外殼及所述外殼中的壓電換能 器。離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器電路可操作地與所述壓電換能器接合。 在非限制實(shí)施方案中，壓電換能器可以連接到離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大 器電路的輸入線路。仍然在另一個(gè)方面，基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的 跨導(dǎo)電路包括基準(zhǔn)電壓、輸入線路、從基準(zhǔn)電壓連接到輸入線路的壓 電換能器、接收輸入線路上的信號(hào)并且基于換能器信號(hào)產(chǎn)生輸出的放 大器。還提供了通過(guò)其發(fā)送所述輸出回到輸入線路的反饋元件。所述 反々赍元件例如可以是電阻或者電荷開(kāi)關(guān)電路。在非限制實(shí)現(xiàn)中，所述跨導(dǎo)電路包括比較器，比較起連接到輸入 線路和發(fā)送信號(hào)到繼而產(chǎn)生數(shù)字輸出的數(shù)字邏輯處理電路。所述輸出 表示換能器信號(hào)。如果愿意，數(shù)字邏輯電路可以由微控制器構(gòu)建。在另一方面，離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)電路包括輸入 線路和所述輸入線路中的FET或者的基于運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)電路。基 于DTSOA的微分器(或者"增量調(diào)制器")電路接收輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生輸出。如果愿意，可以提供反饋元件，所述輸出通過(guò)所述 反饋元件送回到輸入線路。在另一個(gè)實(shí)施方案中，壓電檢測(cè)器跨導(dǎo)電路包括(-)和(+ )保 護(hù)電壓線路(一般的供電線路)、第一輸入線路、連接到所述供電線 路并且在所述第一輸入線路確立第一基準(zhǔn)電壓的第一保護(hù)二極管對(duì)、 接收所述第 一輸入線路上的第 一基準(zhǔn)電壓的放大器、從第二基準(zhǔn)電壓 連接到第二輸入線路的壓電換能器、接收第二輸入線路上的信號(hào)并且 基于所述換能器信號(hào)產(chǎn)生輸出的放大器、所述輸出通過(guò)其被送回到第 二輸入線路的反饋元件、從第二輸入線路連接到保護(hù)電壓線路的第二 保護(hù)二極管對(duì)。第二基準(zhǔn)電壓可以與第一基準(zhǔn)電壓相同。分離的緩沖放大器可以插入第 一保護(hù)二極管對(duì)和第 一輸入線路之間。在另一實(shí)施方案中，基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的 跨導(dǎo)電路包括基準(zhǔn)電壓、輸入線路、從基準(zhǔn)電壓連接到輸入線路的壓 電換能器、接收輸入線路上的信號(hào)并且基于換能器信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)或者 兩個(gè)輸出的放大器。還提供所述輸出通過(guò)其被送回到輸入線路的反饋 元件。反饋元件例如可以是電阻、電容或者電荷開(kāi)關(guān)電路。 一個(gè)反饋 元件電^各可以i殳計(jì)為 <叉4叉通過(guò)AC信號(hào)，而另 一個(gè)反々貴元件電^各可以 設(shè)計(jì)為通過(guò)AC和DC分量。在一些實(shí)施方案中，放大器包括連接到輸入線路的比較器，產(chǎn)生 第一輸出和發(fā)送信號(hào)到進(jìn)一步包括的數(shù)字邏輯處理電路，數(shù)字邏輯處 理電路繼而產(chǎn)生第二輸出。兩個(gè)輸出均表示換能器信號(hào)。如果愿意， 所述數(shù)字邏輯電路可以由微控制器構(gòu)建。在其它非限制實(shí)現(xiàn)中，放大器進(jìn)一步包括其柵極連接到輸入線路 并且發(fā)送信號(hào)到比較器的FET，其產(chǎn)生第一輸出并且發(fā)送信號(hào)到進(jìn)一 步包括的數(shù)字邏輯處理電路，所述數(shù)字邏輯處理電路繼而產(chǎn)生第二輸 出。兩個(gè)輸出均表示換能器信號(hào)。如果愿意，所述數(shù)字邏輯電路可以 由微控制器構(gòu)建。還在其它非限制實(shí)現(xiàn)中，放大器包括FET,其柵極連接到輸入線 路并且發(fā)送信號(hào)到產(chǎn)生第一輸出的比較器，并且還包括正反饋路徑來(lái) 產(chǎn)生引起電路振蕩的滯后作用，并且因此提供其自己的基準(zhǔn)時(shí)間。在最后方面，基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的微分器 電路包括輸入線路，連接到輸入線路的"電壓輸出模式"的壓電換能器 電路，和接收輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生輸出的基于DTSOA的微分 器("增量調(diào)制器")電路。還提供輸出通過(guò)其被送回到輸入線路的反 饋元件。反饋元件例如可以是電阻、電容、或者電荷開(kāi)關(guān)電路。 一個(gè) 反饋元件電路可以設(shè)計(jì)為僅僅通過(guò)AC信號(hào)，而另一個(gè)反饋元件電路 可以設(shè)計(jì)為通過(guò)AC和DC分量。還提供正反饋路徑來(lái)產(chǎn)生引起電路 振蕩的滯后作用，并且因此提供其自己的基準(zhǔn)時(shí)間。在查看以下詳細(xì)說(shuō)明和附圖后，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員將變得明顯。


本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)和操作，能參考附圖得到最好的理解，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，并且其中圖1為使用壓電換能器檢測(cè)器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)的框圖；圖2為壓電換能器跨導(dǎo)電路的第一實(shí)施方案的示意圖；圖3為壓電換能器跨導(dǎo)電路的第二實(shí)施方案的示意圖；圖4為壓電換能器跨導(dǎo)電路的第三實(shí)施方案的示意圖；圖5為壓電換能器跨導(dǎo)電路的第四實(shí)施方案的示意圖；圖6為圖2所示的第一實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中到換能器的交流電(AC)和直流電(DC)的連接彼此分離，以避免如果DC輸出足夠高，可能使電路飽和的情況；圖7為圖3所示的第二實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中到換能器的AC和DC連接彼此分離；圖8為圖4所示的第三實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中到換能器的AC和DC的連接彼此分離；圖9為圖5所示的第四實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中到換能器的AC和DC的連接彼此分離；圖10為壓電換能器跨導(dǎo)電路的另一個(gè)可選實(shí)施方案的示意圖； 圖11為換能器封裝的立體圖；圖12為圖9所示的第四實(shí)施方案的修改版本的示意圖，利用離散 時(shí)間采樣運(yùn)算放大器代替模擬運(yùn)算放大器；圖13為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的基于非限制離散時(shí)間采樣運(yùn)算放 大器的跨導(dǎo)電路的示意圖；圖14為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的、在其輸入具有常規(guī)的跨導(dǎo)電路的 非限制離散時(shí)間采樣微分器電路的示意圖；圖15為根據(jù)具有放大器輸入漏電流減小電路的另一個(gè)實(shí)施方案 的跨導(dǎo)電路的示意圖；圖16為根據(jù)具有可選的放大器輸入漏電流減小電路的另一個(gè)實(shí) 施方案的跨導(dǎo)電路的示意圖；圖17為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的具有單獨(dú)的AC/DC反饋路徑的壓 電換能器電路的示意圖；圖18為圖17所示的實(shí)施方案的修改版本的示意圖；圖19為圖18的實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中電壓模式電 路代替跨導(dǎo)電路；圖20為圖18所示的實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中基準(zhǔn)時(shí) 間通過(guò)電路本身產(chǎn)生，而不是從外部源接收；圖21為圖20所示的實(shí)施方案的修改版本的示意圖，其中電壓模 式電路代替跨導(dǎo)電路；以及圖22為圖21所示的電壓模式電路的修改版本的示意圖。
具體實(shí)施方式
在此公開(kāi)的一些實(shí)施方案提供給壓電換能器信號(hào)處理電路。例如， 在此說(shuō)明的一個(gè)電路具有輸入線路和輸入線路中的壓電換能器、接收 輸入線路上的信號(hào)和基于換能器信號(hào)產(chǎn)生輸出的放大器、以及通過(guò)其 輸出 一皮送回到輸入線路的至少 一個(gè)反饋元件。閱讀本說(shuō)明后，如何以不同可選的實(shí)施方案和可選的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得明顯。然而，雖然在此將說(shuō)明本發(fā)明 的不同實(shí)施方案，可以理解這些實(shí)施方案僅僅通過(guò)示例呈現(xiàn)，而不受 到限制。就這點(diǎn)而論，不同可選實(shí)施方案的這些詳細(xì)說(shuō)明不應(yīng)理解為對(duì)如所附的權(quán)利要求書所陳述的、本發(fā)明的范圍和寬度的限制。首先參考圖1，示出了檢測(cè)系統(tǒng)(一般指定為10)的示例性非限 制實(shí)施方案，其用于4全測(cè)移動(dòng)物體12，例如人。系統(tǒng)10包括光學(xué)系統(tǒng)14,其包括合適的鏡子、透鏡和本領(lǐng)域已知的用于將物體12的圖 像聚焦到無(wú)源紅外(PIR)檢測(cè)器系統(tǒng)16的其它元件。響應(yīng)移動(dòng)物體 12， PIR檢測(cè)器系統(tǒng)16產(chǎn)生信號(hào)，所述信號(hào)能被信號(hào)處理電路18過(guò) 濾、放大和數(shù)字化，處理系統(tǒng)20(例如，計(jì)算機(jī)或者應(yīng)用特定的集成 電路)接收信號(hào)，并且判定是否啟動(dòng)可聽(tīng)或者可視警報(bào)21，或者啟動(dòng) 其它輸出裝置，例如用于門等的啟動(dòng)系統(tǒng)。已經(jīng)說(shuō)明了壓電^r測(cè)器的一個(gè)應(yīng)用，現(xiàn)在將關(guān)注圖2至圖22，其 示出信號(hào)處理電路結(jié)合壓電檢測(cè)器的不同實(shí)施方案。壓電檢測(cè)器結(jié)合 于圖2至圖18和圖20的實(shí)施方案的跨導(dǎo)電路中，以及結(jié)合于圖19、 圖21和圖22的實(shí)施方案中的電壓輸出模式電路中。根據(jù)本原理，"跨 導(dǎo)電路"是這樣的一個(gè)電路其中，作為對(duì)允許換能器(例如圖2的換 能器22)的板之間的電壓大幅改變的替換，將電荷通過(guò)電阻傳導(dǎo)來(lái)產(chǎn) 生確立電路輸出信號(hào)的電壓。"電壓輸出模式"電路是這樣的換能器 工作在電壓模式，其中(在AC信號(hào)頻率)，檢測(cè)器的內(nèi)部遷移電荷 不傳導(dǎo)到外部，而是使換能器的板之間的電壓改變，因此確立電路的 專敘出電壓。如圖2所示，壓電換能器22在第一實(shí)施方案的跨導(dǎo)電路24中設(shè) 置。跨導(dǎo)電路24具有直流(DC)電壓供應(yīng)26。電路24可以被想成 是壓電換能器22的監(jiān)控電路。而且，電路24阻抗-緩沖和放大來(lái)自 換能器22的信號(hào)。壓電換能器22可以是任何壓電換能器。在一個(gè)示例性說(shuō)明中，壓 電換能器22是通過(guò)"壓電效應(yīng)"測(cè)量遠(yuǎn)紅外輻射的變化的熱電檢測(cè)器， 當(dāng)存在可能由例如遠(yuǎn)紅外輻射引起的溫度變化而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)變時(shí)， "壓電效應(yīng)"使電荷遷移。壓電換能器22可以采取電容的形式，例如， 由可以是壓電陶資的電介質(zhì)分離的兩個(gè)導(dǎo)電板。當(dāng)壓電換能器22的陶 瓷經(jīng)受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)，電荷從一個(gè)板向另一個(gè)板遷移。在圖2所示的電路24中，換能器22連接在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET) Ql的源極和柵極之間，所述結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql可以通過(guò) 非限制實(shí)施方案中的類型2N4338 FET實(shí)現(xiàn)。電源26可以是由一個(gè)或 者多個(gè)干電池構(gòu)成的5伏電源，如所示連接到FETQ1的漏極。如圖2所示，F(xiàn)ETQ1的源極電流經(jīng)輸出電阻R1而改變?yōu)殡妷骸?所述電壓經(jīng)跨導(dǎo)電阻R2連接，并且使電流流回FETQ1的柵極，電阻 Rl和R2均接地，但是換能器22在FET Ql的源極和柵極之間"懸浮"(即，其信號(hào)基準(zhǔn)電壓不接地)。通過(guò)以上結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ETQ1通過(guò)改變輸出電阻R1的電壓來(lái)控制經(jīng)聘、 導(dǎo)電阻R2到FETQ1的柵極的反饋電流，其經(jīng)由接地節(jié)點(diǎn)，使得跨導(dǎo) 電阻R2上的電壓改變。電路24的輸出的交流電(AC)分量通過(guò)輸出 電阻Rl測(cè)量，電路24的輸出的交流電(AC )分量可以通過(guò)將換能器 22的輸出電流乘以跨導(dǎo)電阻R2的電阻值的足夠準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)反 映電路功能。輸出的直流(DC)分量由FETQ1的柵極-源極工作電 壓確定。換句話說(shuō)，電路24的信號(hào)基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)相對(duì)于電路公共接地而懸 浮于，這與常規(guī)的非跨導(dǎo)電路相反，在常規(guī)的非跨導(dǎo)電路中，信號(hào)基 準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)是接地的，并且FET作為以電壓輸出模式工作的壓電檢測(cè) 器的緩沖器來(lái)使用。因此，本跨導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的組合與常規(guī)的電壓輸出 模式電路相比，產(chǎn)生了特有的更大的信號(hào)電壓，同時(shí)有利地允許使用 與常規(guī)的電壓輸出模式電路中所用相同類型的相對(duì)便宜的FETQ1，來(lái) 替代相對(duì)更貴的高阻抗運(yùn)算放大器。以另一個(gè)方式看，與常規(guī)的電壓 輸出模式電路不同，圖2所示的電路24實(shí)質(zhì)上具有三個(gè)功能塊，即， 換能器22、 FETQ1、和跨導(dǎo)電阻R2，跨導(dǎo)電阻R2是反饋元件。圖3 - 5示出給圖2增加 一 些元件以更進(jìn) 一 步增大電路產(chǎn)生的信號(hào) 的不同電路。如圖3所示，壓電換能器28在具有DC電壓供應(yīng)32的 跨導(dǎo)電路30中設(shè)置。在圖3所示的電路30中，換能器28連接在結(jié)型 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET) Ql的源極和柵極之間，并且因此，電路30的 信號(hào)基準(zhǔn)電壓懸浮于電路公共接地。電源32如所示經(jīng)漏極電阻Ro連 4妻到FET Ql的漏才及。在圖3所示的電路中，除了下面將進(jìn)一步討論的電^各元件以外，不僅設(shè)置有FETQ1，還設(shè)置有雙極結(jié)晶體管(BJT) Q2。如果愿意， 便宜的標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗運(yùn)算放大器可用于替代BJT Q2使用。"標(biāo)準(zhǔn)輸入 阻抗"意思是不大于107歐姆的阻抗。在圖3所示的實(shí)施方案中，BJT Q2的基極如所示連接到換能器 28和FET Ql的源極，BJT Q2的發(fā)射極連接到接地的輸出電阻Rl, BJT Q2的集電極連接到電源32并且通過(guò)漏極電阻R9與FET Ql的漏 極分離。由于BJT Q2提供的額外增益和由于BJT Q2的基極連接到 FETQ1的源極，所以可以增加由電阻R3、 R4和電容C3構(gòu)成的輸出 反饋分壓器，從而將跨導(dǎo)電阻R2上產(chǎn)生的基本跨導(dǎo)電壓放大例如10 倍，由于經(jīng)跨導(dǎo)電阻R2至FETQ1的柵極的電流，此電壓得以反饋。 因此，如果給兩個(gè)電路的換能器相同的激發(fā)能量，則圖3中電路30 的輸出的AC分量(在輸出電阻R1上測(cè)量)是圖2所示的電路24的 輸出的AC分量的10倍。另外，在圖3所示的電路30中，F(xiàn)ET Ql的漏極實(shí)質(zhì)上通過(guò)短路 電容C5與FET Ql的源極短路(用于AC信號(hào))，F(xiàn)ET Ql的源極如 前面提到的是信號(hào)基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)。由于FET Ql的漏極實(shí)質(zhì)上與信號(hào) 基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)短路，F(xiàn)ETQ1的內(nèi)部電容不再構(gòu)建不需要的反饋元件， 從而擴(kuò)展了電路30的高頻響應(yīng)?，F(xiàn)在參考圖4,壓電換能器34在具有DC電壓供應(yīng)38的跨導(dǎo)電 路36中設(shè)置。在圖4所示的電路36中，換能器34連接在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng) 晶體管(FET) Ql的源極和柵極之間，并且因此，電路36的信號(hào)基 準(zhǔn)電壓相對(duì)于電路公共接地而懸浮。電源38如所示連接到FETQ1的 漏極。在圖4所示的實(shí)施方案中，便宜的標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗運(yùn)算放大器Ul 的倒相輸入連接到換能器34和FET Ql的源極，F(xiàn)ET Ql的源極間接 地接地(即，經(jīng)電阻R4)。運(yùn)算放大器Ul的輸出經(jīng)跨導(dǎo)電阻R3反 饋到FETQ1的柵極。而且，運(yùn)算放大器Ul的非倒相輸入連接到分壓 器，所述分壓器包括繼而連接到電源38的電阻R1和接地的電阻R2。如在前面說(shuō)明的電^各的情況中，源電流產(chǎn)生的FET源電阻R2上 的電壓由于流至FET Ql的柵極的電流而反饋。反饋路徑經(jīng)圖4所示14的電路36中的運(yùn)算放大器Ul和跨導(dǎo)電阻R3延伸。跨導(dǎo)電流求和節(jié) 點(diǎn)在FET Ql的4冊(cè)極處，F(xiàn)ET Ql的柵極緩沖運(yùn)算力文大器Ul的倒相專lT 入。運(yùn)算放大器U1的非倒相輸入是電路36的"懸浮"信號(hào)基準(zhǔn)電壓節(jié) 點(diǎn)。運(yùn)算放大器U1改變其輸出電壓以控制通過(guò)跨導(dǎo)電阻R3的反饋電 流，電路的輸出信號(hào)是運(yùn)算放大器U1的輸出電壓的AC分量，DC分 量由FET Ql的柵極-源極工作電壓確定。圖4的電路36提供了用于信號(hào)基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)的基本恒定電壓(由 運(yùn)算放大器Ul在其倒相輸入端保持)。因此，與放大器的輸出和由于 經(jīng)跨導(dǎo)電阻R3到FET Ql的柵極的電流而反饋的反饋電壓相比，F(xiàn)ET Ql的漏極-柵極電壓基本恒定。因此，沒(méi)有由于FETQ1內(nèi)部的漏極 -柵極容量的任何影響產(chǎn)生的高頻限制，因此圖3的只有晶體管的電 路中所示的電阻-電容對(duì)R9-C5在圖4的電^各36中不需要。圖5示出具有DC電壓供應(yīng)44的跨導(dǎo)電路42中的壓電換能器40， 跨導(dǎo)電路42在大多數(shù)方面與圖4所示的電路36相同，不同之處在于， 在運(yùn)算放大器Ul的非倒相輸入和反饋電阻R3之間設(shè)置有電阻R5和 電容C3,在電阻R5/電容C3對(duì)的分支和FET Ql的柵極之間設(shè)置有3夸 導(dǎo)電阻R6。由于運(yùn)算放大器Ul提供的足夠的增益，電阻R3、 R5和 電容C3構(gòu)成的輸出電壓分壓器可以將基本跨導(dǎo)電壓放大例如10倍。圖6-9分別對(duì)應(yīng)于圖2-5，除了圖6-9所示的改變，各個(gè)電路 如所示基本相同，到換能器的AC連接和DC連接彼此分離，以避免 高的DC輸出而使電路進(jìn)入通稱為"飽和"的狀態(tài)，在"飽和"狀態(tài)下， 電路DC輸出電壓應(yīng)該(從理想的計(jì)算觀點(diǎn))比電源的正極更高，或 者比電源的負(fù)極更低。由于這在實(shí)際中不可能，因而電路DC輸出可 以變得對(duì)于電源的正極或者負(fù)極都"固定"，在所述情況下，不可能有 AC信號(hào)，否則使電路完全不工作。這樣高的DC輸出可能來(lái)自由于一 些換能器中存在并聯(lián)漏電阻引起的DC放大。當(dāng)正常工作時(shí)，圖6-9 所示的電路的工作與圖2 - 5中它們的各個(gè)對(duì)應(yīng)部分的工作幾乎相同， 因?yàn)橛糜诒景l(fā)明的是AC信號(hào)而不是DC信號(hào)。以上AC與DC的分離在圖6和圖8中通過(guò)下面實(shí)現(xiàn)使換能器 輸出信號(hào)的AC分量經(jīng)通過(guò)AC、阻止DC的電容CAc,并且從此處到達(dá)信號(hào)處理電路，即，到達(dá)圖6中的FETQ1和到達(dá)圖8中的運(yùn)算放大 器Ul,同時(shí)使換能器輸出信號(hào)的DC分量分路，經(jīng)DC接地電阻Roc 接地。另一方面，在圖7和圖9中，由于通過(guò)AC、阻止DC的電容 C3已經(jīng)存在于這些電路中，各個(gè)換能器的輸出連接到這些電路中的電 容C3和電阻(圖7中的R4,圖9中的R5)之間的線^各。圖IO示出的電路與圖9所示的電路相似，其中相同的附圖標(biāo)記表 示相同的部分，但是其中運(yùn)算放大器Ul被代替為與NPN晶體管Q4 級(jí)聯(lián)的PNP晶體管Q3，以獲得便宜的實(shí)現(xiàn)。更具體地，在圖10中， 跨導(dǎo)電阻R6連接到FET Ql的柵極，F(xiàn)ET Ql的漏極連接到供電線路 46,并且FET Ql的源極經(jīng)在其中設(shè)置有PNP晶體管Q3的輸出線^各 48,連接到包括電阻R1和R2的分壓器電路，其通過(guò)確立FETQ1源 極電壓而提供用于FET Ql的工作的偏置電壓信號(hào)。PNP晶體管Q3 緩沖該偏置信號(hào)以確立FETQ1源極偏置電壓。而且，如所示，晶體管 Q3將FET漏極到源極輸出電流傳到NPN晶體管Q4的基極，在那里， 由于晶體管Q4的增益，產(chǎn)生成比例增大的晶體管輸出電流(集電極 -發(fā)射極電流)，所述電流繼而通過(guò)連接到電源電壓的負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換 回電壓。如上所述，來(lái)自FET Ql的源極的反饋信號(hào)經(jīng)反饋線路50,提供 到3爭(zhēng)導(dǎo)電阻R6，并且如上面討論的，在圖IO所示的特定電路中，所 述反饋信號(hào)經(jīng)PNP晶體管Q3、經(jīng)NPN晶體管Q4和反饋電阻R3提 供。壓電換能器經(jīng)換能器線路52和電容C3 (在電路的分壓器部分中) 連接，所述電容C3提供到信號(hào)基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)的AC連接，如結(jié)合圖5 和圖9^fe照以上闡明的原理所示。所有以上電路包括共同連接到FET的柵極的壓電換能器和跨導(dǎo)電 阻，F(xiàn)ET的漏極連接到電源，并且源極連接到電路的反饋部分。圖11 示出壓電換能器、FET和跨導(dǎo)電阻為了方便可以設(shè)置在單一封裝中， 例如但不限于管腳(pin)的四個(gè)連接件被設(shè)置在封裝上以將換能器、 FET源極、FET柵極和跨導(dǎo)電阻連接到上述電路。可以使用其它連接 件結(jié)構(gòu)，例如，能被焊接的插座、襯墊、電線等，只要連接件從外殼 的外部可4妻入即可。因此，圖11示出了封裝結(jié)構(gòu)， 一般指定為54,其包括中空的平 行六面體形狀的外殼55，外殼55包括四個(gè)外部連4妄件56、 58、 60、 62，例如但不限于管腳。中空的外殼55保持上述任何電路中的本發(fā)明 的壓電換能器、FET和跨導(dǎo)電阻。因此，第一和第二連接件56和58 可以電連接到外殼55內(nèi)的FET。更具體地，第一連接件56可以連才妾 到FET的漏極，并且利用用于說(shuō)明的圖10所示的電^各，通過(guò)互補(bǔ)形 狀的連接件，可以從外部連接到線路46，從而將FET漏極連接到電源。 另一方面，第二 FET連接件58連接到外殼55內(nèi)的FET的源極，并且 其可以與互補(bǔ)形狀的連接件接合，所述互補(bǔ)形狀的連接件繼而連接到 圖10中的線路48,從而將FET的源極連接到所示電路的部分。第三連接件60可以內(nèi)部連接到跨導(dǎo)電阻。第三連接件60然后可 以從外部與互補(bǔ)形狀的連接件接合，以將圖10中的線路50連接到外 殼55內(nèi)的跨導(dǎo)電阻R6。第四連接件62可以連接到容納在封裝結(jié)構(gòu) 54內(nèi)部的壓電換能器。第四連接件62然后可以連接到線路52,線路 52如圖IO的說(shuō)明性電路所示，在FET的柵極處將壓電換能器連接到 其它電路結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，將中空的外殼封裝結(jié)構(gòu)54的三個(gè)元件(即， 壓電換能器、FET和跨導(dǎo)電阻)在干燥的氮64中封裝。應(yīng)該理解，圖 IO所示的物理連接件布置僅僅是示范性的，其它連接件布置(例如， 一個(gè)連接件在外殼55的四個(gè)面的每一個(gè)上)可以實(shí)現(xiàn)。以上四個(gè)連接件、三個(gè)元件封裝、與極高電阻(例如典型的125 G 歐姆的跨導(dǎo)電阻)結(jié)合的極小電流都容納在外殼55的內(nèi)部。換能器、 FET和跨導(dǎo)電阻外部的電路使用比外殼內(nèi)部流動(dòng)的電流高很多的電 流。因此，雖然單一外殼可以保持例如圖10所示的整個(gè)電if各，然而這 樣的外殼非常貴，而圖11所示的簡(jiǎn)單的四個(gè)管腳的封裝不貴，其可以 制成正好保持前述的三個(gè)部件的合適尺寸。圖12示出的電路在很多方面與圖9所示的電路相同(并且當(dāng)不要 求ac-dc分離時(shí)，其可以按照上面討論的原則也配置為與圖5相似)， 不同之處在于，將模擬運(yùn)算放大器Ul替換為離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大 器(DTSOA)電路70，以節(jié)省模擬運(yùn)算放大器的成本，并且平滑電容 C6添加在DTSOA電路70的輸出端，以過(guò)濾數(shù)字輸出信號(hào)。通過(guò)利用功能與采樣放大器相似的振蕩放大器，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的成本節(jié)省。 在一個(gè) 一般形式中，離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器電路可以由模擬形 式的求和輸入和反饋信號(hào)構(gòu)造，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電路提供了高增 益。然而，應(yīng)該理解在此可以設(shè)想很多離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器電^各 的實(shí)施方案，包括圖13所示的實(shí)施方案。因此，現(xiàn)在來(lái)看圖13的實(shí)施方案，示出DTSOA反饋控制電路的 示意圖，DTSOA反饋控制電路使用上面討論的跨導(dǎo)電路71中的壓電 換能器。在可選DTSOA應(yīng)用中，輸入電容可以代替圖13的電路71 中的換能器，輸入電壓代替基準(zhǔn)電壓，這樣構(gòu)造基于DTSOA的微分 器(或者"增量調(diào)制器")，或者還可再次使用輸入電阻代替電容，協(xié) 同從比較器倒相輸入連接到基準(zhǔn)電壓或者系統(tǒng)接地的電容，實(shí)現(xiàn)可以 具有起到圖12的電路70作用的類型的基于DTSOA的常數(shù)乘法反々貴 控制電路。在圖13的電路71是跨導(dǎo)電路的實(shí)施方案中，圖13中的元件72 是壓電換能器，并且其說(shuō)明性功能為從基準(zhǔn)電壓線路到比較器74的電 容器。換能器72是跨導(dǎo)電路的輸入器件。應(yīng)該理解的是這與圖12中 的電路相反，圖12中，換能器連接在基于FET Ql和跨導(dǎo)電阻R6的 模擬跨導(dǎo)電路中，所有的都與如圖12所示的模擬放大器功能相同的基 于DTSOA的常數(shù)乘法電路分離。在上面討論的可選實(shí)施方案中，元 件72可以是電容或者輸入電阻，電路71然后可以用作圖12的電^各 70?；氐綀D13，在任何情況下，比較器74用作向處理邏輯76輸出數(shù) 字信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。處理邏輯76的輸出可以經(jīng)反饋電阻或者電荷 開(kāi)關(guān)電路78反饋到壓電換能器如所示設(shè)置其中的輸入線路，反饋電阻 或者電荷開(kāi)關(guān)電路78,連同換能器72—起，構(gòu)造了數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。 而且，處理邏輯76的輸出經(jīng)附加于DTSOA內(nèi)部路徑的路徑反饋，其 輸出經(jīng)圖12所示的平滑電容C6被發(fā)送。鑒于上面所公開(kāi)的，現(xiàn)在可以理解根據(jù)比較器74、以及處理電路 7 6的閂鎖數(shù)據(jù)輸出電壓的數(shù)字信號(hào)的低和高的輸出狀態(tài)相對(duì)于基準(zhǔn) 大地可以分別為0伏和5伏。處理電路76的閂鎖電壓邏輯輸入閾值可以是2.5伏。兩個(gè)位置的基準(zhǔn)電壓(Vref)可以均為2.5伏，或者可提供 單獨(dú)的基準(zhǔn)電壓。處理電路76的采樣基準(zhǔn)時(shí)間(TW)可以是比由反饋電 阻和換能器電容產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)短得多的時(shí)段，所以這些元件可以提供平均直流電壓，其對(duì)應(yīng)于從處理電路76輸出的閂鎖電壓輸出消耗在 高狀態(tài)的時(shí)間與消耗在低狀態(tài)的時(shí)間的百分比。圖13所示的電路與才莫擬跨導(dǎo)電路基本相同地執(zhí)行，不同之處在于其輸出為數(shù)字的，具有在 每個(gè)時(shí)間采樣確定的低電壓或者高電壓的形式。這些數(shù)字電壓的時(shí)間 平均值對(duì)應(yīng)于模擬放大器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。在一些應(yīng)用中，比較器和閂鎖功能可以在微控制器中提供，這樣 消除了單獨(dú)的模擬比較器或者放大器的相對(duì)高的成本。而且，如上所述，反饋可以通過(guò)有源的電荷開(kāi)關(guān)電路提供，以節(jié)省典型地與壓電換: 能器結(jié)合的高值電阻的成本。圖14說(shuō)明了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的修改的跨導(dǎo)電路。在一些情況 下，如在圖13中直接將換能器嵌入基于離散時(shí)間釆樣運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)電路中可能是不希望的或者不可行的，然而還希望實(shí)現(xiàn)在跨導(dǎo)電3各 中操作換能器、和獲得從基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器的微分器電路 的數(shù)字編碼的輸出的優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下，基于運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)電路，或者幾種基于JFET(或者基于JFET/運(yùn)算放大器)的跨導(dǎo)電路(如 美國(guó)專利7,042,134和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)20040189149所示)中的一種 可以提供具有"平直的"頻率響應(yīng)的緩沖的換能器輸出的第一功能，緩 沖的輸出可以驅(qū)動(dòng)基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器的微分器電路的輸 入，繼而，基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器的微分器電路可以提供數(shù)字 編碼的l俞出。圖14示出電路200,其中基于運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)電路202驅(qū)動(dòng)基 于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的微分電路204?？鐚?dǎo)電路202 具有連接在放大器208的輸入線路中的換能器206，跨導(dǎo)電路202還 具有反饋電阻210，通過(guò)反饋電阻210，輸出連接回到輸入線路。電^各 202的輸出連接到DTSOA微分器電路204的輸入。電路204包括數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)、比較器(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)、和數(shù)字邏輯處理。電 路204的一些部分與圖13的電路71的部分相似或相同，并且相同的附圖標(biāo)記被適當(dāng)使用。然而，被廣泛稱為"增量調(diào)制器"和常用于對(duì)才莫
擬信號(hào)數(shù)字編碼的DTSOA微分器電路204具有普通電容205，圖13 的DAC中可以找到換能器72。如果愿意，圖14中的電路202和204 之一或者兩者可以用電荷開(kāi)關(guān)反饋電路(開(kāi)關(guān)電容)代替電阻。
圖15說(shuō)明了跨導(dǎo)電路300的實(shí)施方案，其具有用于減小運(yùn)算放大 器漏電流的保護(hù)元件。由于圖13和14的跨導(dǎo)電3各有時(shí)可以用高阻抗 放大器實(shí)現(xiàn)，所以提供減小在這樣的放大器中的輸入漏電流的方法是 有用的。
現(xiàn)代低成本的放大器趨向于CMOS類型，其中放大器的輸入可以 具有很低的泄漏，然而供給這種放大器的輸入保護(hù)二極管可能表現(xiàn)出 較高的泄漏。每個(gè)放大器輸入具有兩個(gè)保護(hù)二極管， 一個(gè)保護(hù)二極管 從放大器輸入連接到放大器的正供應(yīng)電壓(V+ )(有時(shí)也稱為VDD), 或者連接到另 一個(gè)比正常電路工作電壓更高的電壓，另 一個(gè)保護(hù)二相_ 管連接到負(fù)供應(yīng)電壓(V-)(有時(shí)也稱為Vss)，或者連接到另一個(gè) 比正常電路工作電壓更高的電壓。兩個(gè)二極管均為反向偏置，除非外 部信號(hào)試圖驅(qū)動(dòng)輸入使其比V+更高或者比V-更低。在反向偏置情況 下，二極管起到極高值電阻的作用。
為了獲得很低的漏電流，理想的是平衡兩個(gè)二極管的電流，從而 凈漏電流(從保護(hù)二極管流出至保護(hù)的輸入，或者從保護(hù)的輸入流入 保護(hù)二極管)是0。然而，這很困難。在每個(gè)輸入處的兩個(gè)二極管不 相同，因此平衡它們相對(duì)大的漏電流(等于很小的值)不可行，特別 是對(duì)于所有輸入電壓。然而，如在很多類型的跨導(dǎo)電路中存在的那樣， 有了恒定輸入電壓，二才及管平tf在為此目的設(shè)計(jì)的CMOS集成電^各中 是可行的。
圖15示出二極管平衡跨導(dǎo)電路300的一個(gè)實(shí)施方案。放大器310 的兩個(gè)輸入由包含二極管320和322的二極管對(duì)和包含二極管330和 332的二極管對(duì)保護(hù)，每個(gè)二極管對(duì)連接在正和負(fù)供應(yīng)電壓V +和V-之間。這些二極管在正常使用中是反向偏置的，所以它們用作電阻， 兩個(gè)二極管對(duì)因此用作"分壓器"，并且在它們的公共連接節(jié)點(diǎn)328和 338確立電壓(在V +和V-之間)。如果這些節(jié)點(diǎn)之一連沖妄到相同電壓處的任何其它節(jié)點(diǎn)，則當(dāng)然在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有電流流動(dòng)。在這個(gè) 實(shí)施方案中，取保護(hù)二極管確立的電壓作為基準(zhǔn)，并且傳遞到主要功 能電路的輸入(在此實(shí)例中，是換能器的跨導(dǎo)放大器求和節(jié)點(diǎn)，其以 恒定電壓工作)，從而輸入以恰好(或者很接近)等于由它自己的保 護(hù)二極管確立的電壓工作，因此使最少量的電流流入或者流出其保護(hù) 二極管，進(jìn)入主要功能電路。此技術(shù)可應(yīng)用于壓電換能器應(yīng)用，由于 跨導(dǎo)放大器工作點(diǎn)或者電壓不必是任何特殊值，因此可以由輸入保護(hù) 二極管設(shè)置。
在電路300中，運(yùn)算放大器310的(+ )輸入設(shè)置為由保護(hù)二極 管320和322的基準(zhǔn)對(duì)確立的電壓。因?yàn)榉糯笃?10使得其(-)輸 入的電壓等于其(+ )輸入的電壓，所以放大器的(-)輸入的電壓 相同。由于在相同的集成電路襯底上所有的保護(hù)二極管都相似，所以 ( - )輸入保護(hù)二極管330和332獨(dú)立地確立與由保護(hù)二極管320和 322的基準(zhǔn)對(duì)確立的電壓相似的電壓。因此，放大器310在其(-) 輸入施加的電壓恰好(或者很接近)等于由保護(hù)二極管330和332確 立的電壓，并且從保護(hù)二極管330和332流入功能電路(在此情形中， 為極高值跨導(dǎo)反饋電阻334)的漏電流接近O。當(dāng)然，實(shí)際上，由于二 ^L管不匹配，還由于實(shí)際的》文大器漏電流，有少量電流流動(dòng)。然而， 這些電流非常小-比不根據(jù)本實(shí)施方案控制電壓的情形小得多。而且， 如圖16所示出并且將在下面更詳細(xì)說(shuō)明的那樣，通過(guò)在保護(hù)二極管 320和322的基準(zhǔn)對(duì)的公共連接節(jié)點(diǎn)328和放大器310的(+ )輸入 之間插入與放大器310相同的緩沖放大器，放大器漏電流可以在一定 程度上被消除。幸運(yùn)的是，在任何情況下，在換能器335連接在輸入 線路中的壓電換能器應(yīng)用中，在其(+ )輸入確立的跨導(dǎo)放大器工作 電壓不總需要是任何特殊值，因此可以由輸入保護(hù)二極管設(shè)置，除了 其自身之間在同 一 集成電路襯底上的匹配方面之外，輸入保護(hù)二極管 不構(gòu)成很準(zhǔn)確的分壓器。
如以上說(shuō)明的，圖16示出具有緩沖放大器342的跨導(dǎo)電路340 的另一個(gè)實(shí)施方案，緩沖放大器342可以提供用于需要的電路功能的 基準(zhǔn)電壓，例如，作為電容(或者換能器)335的基準(zhǔn)輸入。圖16的電路340的一些元件與圖15的一些元件相同，并且相同的附圖標(biāo)記祐L 適當(dāng)使用，但是在本實(shí)施方案中，緩沖放大器342被置于換能器的跨 導(dǎo)放大器310的正輸入端，在節(jié)點(diǎn)328和放大器310的正輸入之間。 第一保護(hù)二極管對(duì)320、322在本例中連接到緩沖放大器342的正輸入， 反饋線路連接在放大器342的輸出和放大器的負(fù)輸入之間。緩沖放大 器342的輸出連接到跨導(dǎo)放大器310的正輸入。第二保護(hù)二極管對(duì) 330、 332連接到跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入。每對(duì)分壓器二極管，特別是二 極管對(duì)320、 322和二極管對(duì)330和332,分別在其公共連接節(jié)點(diǎn)328 和338處確立電壓。此節(jié)點(diǎn)具有V +和V-之間的電壓Vref。如果此節(jié) 點(diǎn)連接到相同電壓的另 一 個(gè)節(jié)點(diǎn)，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有電流流動(dòng)。
放大器342使得其負(fù)輸入的電壓等于其正輸入的電壓。放大器的 正輸入設(shè)置為由保護(hù)二極管的基準(zhǔn)對(duì)320、 322確立的電壓。在主要功 能或者if爭(zhēng)導(dǎo)放大器310上的負(fù)輸入保護(hù)二極管330、 332獨(dú)立地確立與 由保護(hù)二極管的參考對(duì)確立的電壓相似的電壓。因此，如果輸入二極
管完全或者接近完全匹配，假定放大器輸入偏置電流為0,則流入功 能電路(在此情形中，為極高值跨導(dǎo)反饋電阻334)的漏電流是0或 者接近0。當(dāng)然，實(shí)際上，由于二極管不匹配，和由于實(shí)際的放大器 漏電流，有少量電流流動(dòng)。然而，這些電流非常小，通常比圖15和圖 16中示出的不使用保護(hù)二極管的情形小。在圖15和圖16的實(shí)施方案 中，取保護(hù)二極管確立的電壓作為基準(zhǔn)，并且傳送到主要功能電路， 或者在本例中傳送到換能器的跨導(dǎo)放大器310。
如圖12和13所示，DTSOA可以包括在跨導(dǎo)電路的反饋控制回路 中。在此反饋回路中，有時(shí)希望分離AC和DC (負(fù))反饋信號(hào)。此分 離是有用的，因?yàn)閴弘姄Q能器信號(hào)經(jīng)常僅僅是AC信號(hào)，因此可能以 與典型電路的DC偏移不同的方式來(lái)處理。在圖5中，電阻-電容組 合R3/R5/C3是AC和DC信號(hào)分離的一個(gè)實(shí)例。在圖5的實(shí)施方案中， 到R6的DC反饋本質(zhì)上是單一的(因?yàn)镽6比R3大得多)。然而， 在AC頻率(大于由C3和集合電路電阻確立的截止頻率)，AC反饋 比DC反饋低，被包含R3和R5的分壓器分配。在此情形中，由于控 制回路，通過(guò)選擇R3和R5，可以使放大器輸出的AC增益(即，換能器信號(hào)的增益)比DC增益高得多。這樣的通過(guò)電阻/電容網(wǎng)絡(luò)，對(duì) AC和DC電路增益的單獨(dú)控制，可以添加到圖12和圖13的電路。單 獨(dú)的增益控制繼而允許使用低成本、簡(jiǎn)單的具有高AC增益、低DC 增益的基于DTSOA的跨導(dǎo)和增量調(diào)制器電路(可能適合提供大的換 能器信號(hào)增益)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了增量調(diào)制器電路的DC參數(shù)的必要管 理。圖17到圖21示出了用于實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA) 換能器電路中的AC/DC分離的電路的幾個(gè)實(shí)施方案。為了說(shuō)明，應(yīng)該 注意此新提到的AC-DC反饋分離的類型與圖6、 7、 8和9中介紹的 AC-DC分離電路不同和可以共同存在。而且，為了闡明以下討論，應(yīng) 該注意"DC反饋"在此應(yīng)該用于說(shuō)明包含AC和DC頻率分量的(負(fù)) 反饋信號(hào)，然而"AC反饋"應(yīng)該用于說(shuō)明這樣的僅包含AC頻率分量的 信號(hào)。
圖17示出DTSOA換能器跨導(dǎo)電路400的實(shí)施方案，其具有單獨(dú)
間Tref。電路400與圖13的電路相似，不同之處在于比較器404的輸 出通過(guò)電阻R3和C6提供單獨(dú)的DC反饋信號(hào)用于DC電路偏移控制。 此DC反饋由電阻R3調(diào)節(jié)，并且在去往反饋電阻R6的途中由電容 C6過(guò)濾。比較器404的非倒相輸入連接到包括電阻R1的分壓器，電 阻Rl連4妄到電源38和電阻R2，電阻R2接地。
邏輯處理電路406的輸出提供單獨(dú)的用于DTSOA跨導(dǎo)電路的AC 反饋信號(hào)，除了邏輯處理電路406, DTSOA跨導(dǎo)電路還包括作為輸入 電容的換能器402、比較器404、和反饋電阻R6?？鐚?dǎo)電路的(AC) 增益可以通過(guò)反饋分壓器R8/R7設(shè)置，這提供了比DTSOA電路的通 常的全供應(yīng)電壓"高"和"低"的波(例如，從+ 5V到大地)小得多的反 饋矩形波。對(duì)于模擬控制回路電路，這個(gè)減小的反饋允許較高的閉環(huán) 增益。這個(gè)較小的反饋矩形波經(jīng)C6 (作為AC耦合電容)饋送到反饋 電阻R6 。邏輯處理電路的數(shù)字輸出僅僅包含高增益、增量調(diào)制的(A C ) 換能器信號(hào)。
圖18示出相似于電路400的電路500,并且相同的附圖標(biāo)記適當(dāng) 用于相同的元件。然而，在電路500中，DTSOA電路使用了低成本、低阻抗比較器504，同時(shí)FET 510提供了用于壓電換能器跨導(dǎo)電路的 高阻抗求和節(jié)點(diǎn)輸入。如在圖17的電路中，提供了單獨(dú)的AC和DC 反饋信號(hào)。在圖18中，來(lái)自圖12的實(shí)施方案的DTSOA打開(kāi)并且擴(kuò) 展為包括FET 510，比較器504的輸出用于產(chǎn)生單獨(dú)的DC輸出信號(hào)， DC偏移如在前面實(shí)施方案中通過(guò)反饋電阻R3控制。整個(gè)電路工作為 增量調(diào)制器。"D"閂鎖數(shù)字輸出僅僅包含增量調(diào)制的(AC)換能器信 號(hào)，并且因此在50%的占空比中靜止(quiescent)。圖19示出相似于圖18的電^各500的電^各550，不同之處在于以 電壓模式換能器電路代替跨導(dǎo)電路。如圖18中，圖12的DTS0A打 開(kāi)，并且比較器552的輸出用于產(chǎn)生通過(guò)反饋電阻R3控制DC偏移的 單獨(dú)的DC輸出信號(hào)。電路550通過(guò)電壓輸出模式壓電換能器的工作 提供AC/DC反饋分離，電壓輸出模式壓電換能器具有作為輸出電壓緩 沖器件的FET510。電路550保留了電路500的大部分方面，除了換 能器402以電壓輸出模式工作、在比較器552的負(fù)輸入端增加了輸入 電容C8、以及在比較器552的負(fù)輸入端連接了附加的反饋電阻R9。如在前面的實(shí)施方案中，電路550中的AC增益通過(guò)反饋分壓器 R8/R7設(shè)置，這允許了比通常的全供應(yīng)電壓"高"和"低"大小(例如， 從+ 5V到大地)小得多的反饋矩形波。在此情形中，DTSOA工作為 增量調(diào)制器，C8作為其輸入電容。矩形波經(jīng)電容C6耦合到DTSOA 的增量調(diào)制器反饋電阻R9。經(jīng)FET緩沖的換能器輸出電壓(R4作為 負(fù)載)饋送到DTSOA的增量調(diào)制器輸入電容C8。在圖20的實(shí)施方案中，電路600非常相似于圖18的電路500， 并且相同的附圖標(biāo)記適當(dāng)用于相同的元件。然而，不^象電^各500，圖 20的電路中的比較器604的輸出端沒(méi)有數(shù)字邏輯處理模塊。因此，由 于此電路缺少輸入外部基準(zhǔn)時(shí)間，通過(guò)比較器604的輸出和所述正輸 入之間的R10增加正反饋，以產(chǎn)生引起電路振蕩的滯后，因此提供其 自己的基準(zhǔn)時(shí)間。另外，雖然AC和DC反饋電路仍然分離，但是在 此情形中，它們由單一的數(shù)字輸出(即，比較器604的輸出)來(lái)驅(qū)動(dòng)， 而不是如圖18中由來(lái)自比較器和來(lái)自數(shù)字邏輯處理模塊的分離的輸 出來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，電路600的數(shù)字輸出包含DC偏移信號(hào)和高增益增量調(diào)制的(AC)換能器信號(hào)。然而，這不是主要的麻煩，因?yàn)檫M(jìn)一步的數(shù)字處理(例如，在主微控制器內(nèi))能消除DC偏移信號(hào)。在圖20的電路中，來(lái)自圖12的實(shí)施方案的DTSOA打開(kāi)并且擴(kuò) 展為包括FET510，整個(gè)電路工作為增量調(diào)制器。接著，去掉圖18的 "D"閂鎖406，并且比較器輸出因此用于AC和DC反饋。AC增益通 過(guò)反饋分壓器R8/R7設(shè)置，反饋分壓器R8/R7允許比通常的全供應(yīng)電 壓"高"和"低"的大小(例如，從+ 5V到大地)小得多的反饋矩形波。 矩形波經(jīng)電容C6耦合到跨導(dǎo)反饋電阻R6。電路600的數(shù)字輸出的DC分量是靜止的占空比(不論什么占空 比對(duì)于產(chǎn)生滿足DC反饋回路的DC電壓是必要的)。AC分量是與占 空比的"DC分量"的增量調(diào)制偏差。為了在去除Tref驅(qū)動(dòng)的"D"閂鎖 406后還具有基準(zhǔn)時(shí)間，經(jīng)分壓器RIO / (Rl II R2)的正反饋促進(jìn)了可預(yù) 計(jì)的電路振蕩。因此，代替具有如圖17到圖19的電路中的外部基準(zhǔn) 時(shí)間，電路600產(chǎn)生內(nèi)部的基準(zhǔn)時(shí)間。圖21示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的電路700,其中放大器配置為具 有內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)間的基于DTSOA的"增量調(diào)制器"，如圖20中，來(lái)自"電 壓輸出模式"的壓電換能器電路的信號(hào)輸入到所述基于DTSOA的"增 量調(diào)制器"，與圖19中的配置相似。此電路用常規(guī)的"電壓輸出模式" 的壓電換能器提供AC-DC反饋分離的工作。這樣的換能器可以配備有 放大器或者更一般地，配備有FET 510，作為輸出電壓緩沖器件。電 路700保留了電路600的大多數(shù)方面，除了壓電換能器工作在其"電壓 輸出才莫式"，并且在比較器704的輸入端增加輸出電容C8，以<更完成 基于自振蕩DTSOA的增量調(diào)制器。如圖20中，正反饋通過(guò)反饋電阻 R10提供。附加的反饋電阻R9連接到比較器704的負(fù)輸入。對(duì)于電路 600，此電路的數(shù)字輸出包含DC偏移信號(hào)和高增益的增量調(diào)制(AC) 換能器信號(hào)。這個(gè)很簡(jiǎn)單的AC-DC反饋分離方法的實(shí)施方案在不需要 跨導(dǎo)工作的優(yōu)點(diǎn)、和可使用超低成本的"電壓輸出模式"的換能器的壓 電換能器應(yīng)用中很有用。圖21的電路提供了低成本增量調(diào)制器，其直 接操作壓電換能器的輸出，并且提供方便的數(shù)字信號(hào)，而不需要現(xiàn)有 技術(shù)中使用的干擾放大。如圖20中，圖21的電路中的比較器輸出用于產(chǎn)生DC輸出信號(hào) (用于通過(guò)反饋的DC偏移控制)。比較器輸出用于AC和DC反饋。 AC增益通過(guò)反饋分壓器R8/R7設(shè)置，這允許比通常的全供應(yīng)電壓"高" 和"低"的大小(例如，從+ 5V到大地)小得多的反饋矩形波。DTSOA 工作為增量調(diào)制器，以C8作為其輸入電容。矩形波經(jīng)電容C6耦合到 DTSOA的增量調(diào)制器的反饋電阻R9。 FET緩沖的跨導(dǎo)輸出電壓(R4 作為負(fù)載)被饋送到DTSOA的增量調(diào)制器輸入電容C8。在此電路中，如圖20中，單一數(shù)字輸出信號(hào)自然包括AC和DC 信號(hào)。DC分量是靜止的占空比(無(wú)論什么占空比對(duì)于產(chǎn)生滿足DC反 饋回路的DC電壓是必要的)。AC分量是與占空比的"DC分量"的增 量調(diào)制偏差。為了在去除Tref驅(qū)動(dòng)的"D"閂鎖后具有基準(zhǔn)時(shí)間，經(jīng)分 壓器RIO / (Rl II R2)的正反饋促進(jìn)了可預(yù)計(jì)的電路振蕩。圖22示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的電路800，其是圖21的電壓輸 出模式電路的修改，其中換能器402和它的緩沖FET 510包括在用于 控制的反^t責(zé)回5^中。圖22的一些元件與前面實(shí)施方案的元件相同，相 同的附圖標(biāo)記被適當(dāng)用于相同的元件。圖22的電路的功能與圖21的 電路700相同，不同之處在于增量調(diào)制器電路修改為包括換能器402 和FET 510。如圖22中所示，電阻R9連接在經(jīng)換能器402和FET510的反饋 回路中，而不是如圖21中直接連接到比較器704的負(fù)輸入。乍看，雖 然電路800不像增量調(diào)制器，但是通過(guò)理解緩沖換能器輸出阻抗比R9 低得多，仍可以看出比較器輸入仍然接收換能器電壓和電容C8電壓 的和，并且比較器仍然通過(guò)經(jīng)R9的反饋控制C8上的電壓，因此保留 了增量調(diào)制器的功能。在圖22的電路800中，節(jié)點(diǎn)"換能器/R6/C8/R9"用作具有極高阻 抗(FET柵極的阻抗)的比較器輸入，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，其允許C8和 R9使用更高阻抗值。圖17到22示出幾個(gè)電路的實(shí)施方案，其中單獨(dú)的AC/DC反饋路 徑設(shè)置在換能器DTSOA電路中。在每個(gè)電路中，AC反饋通過(guò)R8和 R7可稍微獨(dú)立調(diào)節(jié)，并且DC反饋通過(guò)R3可稍微獨(dú)立調(diào)節(jié)。C7附帶26于信號(hào)處理，其存在僅僅為了限制高頻反饋增益和連帶的不穩(wěn)定。平滑電容C6執(zhí)行將增量調(diào)制方波(由R8/R7分壓器確定大小)耦合到 反饋電阻(如圖17、 18和20中R6用于^爭(zhēng)導(dǎo)工作；如圖19和21中 R9用于電壓模式工作)的附加功能。這5個(gè)電路的保護(hù)范圍是非限制 的。所公開(kāi)的實(shí)施方案的以上說(shuō)明提供給本領(lǐng)域任何技術(shù)人員來(lái)制造 或者使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的不同修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而 易見(jiàn)的，并且在此說(shuō)明的一般原則可以應(yīng)用到其它實(shí)施方案而不背離 本發(fā)明的宗旨或者范圍。因此，可以理解在此出現(xiàn)的說(shuō)明和附圖代表 本發(fā)明目前的優(yōu)選實(shí)施方案，并且因此代表由本發(fā)明廣泛設(shè)想的主題。 進(jìn)一步可以理解本發(fā)明的范圍完全包含其它對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而 易見(jiàn)的實(shí)施方案，并且本發(fā)明的范圍除了所附的權(quán)利要求書以外不受 到限制，其中以單數(shù)提到的元件除非明確說(shuō)明不意味"一個(gè)和僅僅一 個(gè)"，而是"一個(gè)或者多個(gè)"。而且，所用的裝置和方法不必要解決本發(fā) 明尋求解決的每個(gè)問(wèn)題，其由本發(fā)明的權(quán)利要求包含。此外，無(wú)論本 公開(kāi)的元件、組件或者方法步驟是否被在權(quán)利要求中明確陳述，所述 元件、組件或者方法步驟不意圖奉獻(xiàn)給公眾。沒(méi)有在此要求保護(hù)的元 件歸35U.S.C.'112第6款的規(guī)定解釋，除非所述元件使用短語(yǔ)"意味 著"清楚地?cái)⑹觯蛘咴诜椒?quán)利要求的情況下，要素?cái)⑹鰹?步驟" 來(lái)代替"動(dòng)作"。在此沒(méi)有明確定義的，權(quán)利要求條款將給出符合本說(shuō) 明書和文件歷史的所有普通的和通常的意思。
權(quán)利要求
1、一種壓電檢測(cè)器電路，包括至少一組(-)和(+)保護(hù)電壓線路；第一輸入線路；至少一個(gè)第一組保護(hù)元件，所述第一組保護(hù)元件包括一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元件，所述第一組保護(hù)元件連接到一組保護(hù)電壓線路并且配置為在所述第一輸入線路確立第一基準(zhǔn)電壓；放大器，具有第一輸入，所述第一輸入接收在所述第一輸入線路上的所述第一基準(zhǔn)電壓；壓電換能器，從第二基準(zhǔn)電壓連接到第二輸入線路；所述放大器具有第二輸入，所述第二輸入接收在所述第二輸入線路上的信號(hào)并基于所述換能器信號(hào)產(chǎn)生輸出；反饋元件，所述輸出通過(guò)所述反饋元件送回到所述第二輸入線路；及至少一個(gè)第二組保護(hù)元件，所述第二組保護(hù)元件包括一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元件，所述第二組保護(hù)元件從所述第二輸入線路連接到一組保護(hù)電壓線路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中每組保護(hù)元件包括至少一個(gè) 二極管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一和第二基準(zhǔn)電壓基 本相等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述放大器具有(-)和(+ ) 供電線路，并且所述(-)和(+ )保護(hù)電壓線路是所述放大器(-) 和(+ )供電線路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括第二放大器，所述第二放大器具有連接到所述第一輸入線路的輸出和至少一個(gè)輸入，所述第一 組保護(hù)元件具有連接到所述第二放大器的輸入的公共連接模式，由此 所述第二放大器的輸出在所述第一輸入線路確立所述第一基準(zhǔn)電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一組保護(hù)元件包括第 一二極管對(duì)，所述第一二極管對(duì)在所述保護(hù)電壓線路之間串聯(lián)連接并 且具有連接到所述第一放大器的輸入的公共連接節(jié)點(diǎn)，所述第二組保 護(hù)元件包括第二二極管對(duì)，所述第二二極管對(duì)在所述保護(hù)電壓線路之 間串聯(lián)連接并且具有連接到所述第二放大器的輸入的公共連接節(jié)點(diǎn)。
7、 一種基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的跨導(dǎo)電路， 包括至少一個(gè)llr入線^各；在所述輸入線路中的壓電換能器；放大器電路，其接收所述輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生至少兩個(gè)輸 出；及至少兩個(gè)反饋元件，至少兩個(gè)輸出通過(guò)所述至少兩個(gè)反饋元件送 回到所述輸入線路。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中所述放大器電路包 括至少一個(gè)比較器，其連接到所述輸入線路并且具有至少一個(gè)輸出； 和至少一個(gè)數(shù)字邏輯處理電路，其具有連接到所述比較器的輸出的輸入并且產(chǎn)生至少一個(gè)信號(hào)輸出，所述數(shù)字邏輯處理電路的所述信號(hào)輸 出表示所述輸入線路上的所述信號(hào)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中所述放大器和邏輯 處理電路的功能至少部分地由微控制器確立。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反饋元 件是電阻。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反饋元 件是電荷開(kāi)關(guān)電路。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中所述反饋元件包 括至少一個(gè)電阻和一個(gè)電容。
13、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的DTSOA電路，其中所述放大器電路 包括至少一個(gè)FET，所述FET的柵極連接到所述輸入線路；比較器， 其具有輸出和連接到所述FET的輸入；至少 一個(gè)數(shù)字邏輯處理電路， 其連接到所述比較器的輸出并且產(chǎn)生至少一個(gè)信號(hào)輸出，所述信號(hào)輸 出表示所述輸入線路上的所述信號(hào)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的DTSOA電路，其中所述放大器和邏 輯處理電路的功能至少部分地由微控制器確立。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反饋元 件是電阻。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反饋元 件是電荷開(kāi)關(guān)電路。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的DTSOA電路，其中所述反饋元件包 括至少一個(gè)電阻和一個(gè)電容。
18、 一種基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的電路，包括 至少一個(gè)輸入線路； 在所述輸入線路中的壓電換能器；放大器電路，其接收所述輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生輸出；及 至少兩個(gè)反饋元件，所述輸出通過(guò)所述至少兩個(gè)反饋元件送回到所述輸入線路。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的DTSOA電路，其中所述放大器電路 包括至少一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的4冊(cè)4及連 接到所述輸入線路；和至少一個(gè)比較器，其配置為接收來(lái)自所述FET 的至少一個(gè)信號(hào)并且產(chǎn)生表示所述輸入線路上的所述信號(hào)的至少一個(gè) 輸出。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反4貴元 件是電阻。
21、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的DTSOA電路，其中至少一個(gè)反饋元 件是電荷開(kāi)關(guān)電路。
22、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的DTSOA電路，其中所述反饋元件包 括至少一個(gè)電阻和一個(gè)電容。
23、 一種壓電換能器信號(hào)處理電路，包括 至少一個(gè)輸入線路；在所述輸入線路中的"電壓輸出模式"的壓電換能器；及 基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTSOA)的微分器("增量調(diào)制 器")電路，其接收所述輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生輸出。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，包括至少一個(gè)反饋元件，所述 輸出通過(guò)所述反饋元件送回到所述輸入線路。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的電路，其中所述反饋元件是電阻。
26、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，還包括至少兩個(gè)反饋元件，所 述輸出通過(guò)所述反饋元件送回到所述輸入線路。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電路，其中所述反饋元件包括至少一 個(gè)電阻和一個(gè)電容。
28、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的電路，其中所述DTSOA電路包括 比較器，其具有連接到所述輸入線路的輸入；緩沖場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其連接到所述換能器，并且所述反饋元件、換能器、和FET 包括在連接到所述比較器輸入的反饋回路中。
全文摘要
一種壓電檢測(cè)器電路，具有至少一個(gè)輸入線路，在所述輸入線路中的壓電換能器，接收所述輸入線路上的信號(hào)并且產(chǎn)生輸出的放大器，及所述輸出通過(guò)其送回到所述輸入線路的一個(gè)或者兩個(gè)反饋元件。所述電路可以是基于離散時(shí)間采樣運(yùn)算放大器(DTOA)的跨導(dǎo)或者“電壓輸出模式”電路。在一個(gè)實(shí)施方案中，保護(hù)元件與放大器輸入線路結(jié)合以確立基準(zhǔn)電壓。
文檔編號(hào)H03F3/04GK101326712SQ200680046192
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者埃里克·斯科特·米科 申請(qǐng)人:西榮科技有限公司