CN209390021U - 一种电荷电压转换放大电路和电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于电路技术领域，公开了一种电荷电压转换放大电路和电子装置，该电荷电压转换放大电路用于放大电荷探测器输出的电荷信号并将放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号。所述电荷电压转换放大电路包括：放大单元、转换单元、反馈单元和输出单元；其中，放大单元用于连接探测器并放大所述探测器输出的电荷信号；转换单元用于将所述放大单元放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号；反馈单元的输入端连接于转换单元的输出端，输出端连接于所述放大单元的输入端；输出单元的输入端连接于放大器的输出端，输出单元处理经转换单元转换过后的所述电压信号并输出。所述电荷电压转换放大电路可减少噪声的产生，提高电荷信号的处理成功率。

Description

一种电荷电压转换放大电路和电子装置

技术领域

本申请属于电路技术领域，涉及电荷信号处理技术领域，尤其涉及一种电荷电压转换放大电路和电子装置。

背景技术

在粒子物理实验中，微弱电荷信号的快速精确测量是影响实验结果的关键因素。通常在高精度的粒子物理实验系统中，探测器输出的电荷信号十分微弱，有些甚至为飞库量级，而事例率却非常高，常规的电荷处理电路在高事例率情况下无法快速处理这么小的信号，导致信号容易被噪声全部淹没，这样大大影响到整个实验系统的准确性，进而影响到实验结论。

实用新型内容

本申请的目的是为了解决常规的电荷处理电路中探测到的电荷信号容易被噪声全部淹没的问题，从而提供了一种电荷电压转换放大电路和电子装置，其中电荷电压转换放大电路对探测到的电荷信号采用二级放大电路进行放大，同时在电路设计和器件选用两方面尽量减少噪声的产生，避免电荷信号被噪声全部淹没，提高电荷信号的处理成功率。

第一方面，本申请提供了一种电荷电压转换放大电路，用于放大电荷探测器感应电荷所输出的电荷信号，所述电荷电压转换放大电路包括放大单元、转换单元、反馈单元和输出单元。

所述放大单元的输入端用于连接探测器并放大所述探测器输出的电荷信号。所述转换单元的输入端连接于所述放大单元的输出端，所述转换单元用于将所述放大单元放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号。所述反馈单元的输入端连接于所述转换单元的输出端，输出端连接于所述放大单元的输入端。

所述输出单元的输入端连接于所述放大单元的输出端，所述输出单元用于将所述转换单元输出的所述预设规格的电压信号处理后输出。

进一步地，所述放大单元包括第一场效应管和第二场效应管。所述第一场效应管和所述第二场效应管均为N沟道结型场效应晶体管。所述第一场效应管的栅极连接于所述探测器，所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的源极相连，所述第二场效应管的漏极与所述转换单元的输入端相连；所述第一场效应管的源极接地，所述第二场效应管的栅极接地。

进一步地，所述转换单元包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端与所述第二场效应管的漏极连接，接收所述放大单元放大后的电荷信号。所述第一运算放大器的输出端连接于所述反馈单元的输出端，输出转换后的所述电压信号。所述电荷电压转换放大电路还包括供电单元。所述供电单元包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，所述第一电阻的另一端用于连接电源。

进一步地，所述反馈单元包括第一电容和第二电阻。所述第一电容和所述第二电阻并联连接。所述第一电容的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，另一端连接于所述第一场效应管的栅极。所述第二电阻的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，另一端连接于所述第一场效应管的栅极。

进一步地，所述输出单元包括隔直单元。所述隔直单元的输入端连接于所述转换单元的输出端，所述隔直单元用于隔离所述电压信号中的直流部分。

进一步地，所述隔直单元包括用于过滤直流分量的第二电容。所述第二电容的输入端连接于第一运算放大器的输出端，所述第二电容的输出端输出交流电压。

进一步地，所述输出单元还包括缓冲单元。所述缓冲单元的输入端与第二电容的输出端连接。

进一步地，所述缓冲单元包括处理所述交流电压的第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端与所述第二电容的输出端连接。

进一步地，所述缓冲单元包括处理所述交流电压的差分驱动器，所述差分驱动器的输入端与所述第二电容的输出端连接，所述差分驱动器用于输出差分信号。

进一步地，所述缓冲单元包括处理所述交流电压的电压跟随器，所述电压跟随器的输入端与所述第二电容的输出端连接。

第二方面，本申请还提供了一种电子装置，包括电路板，所述电路板上设有上述的电荷电压转换放大电路。

相比现有技术，本申请的有益效果在于：本申请提供的电荷电压转换放大电路，用于放大电荷探测器感应电荷所输出的电荷信号。电荷电压转换放大电路包括放大单元、转换单元、反馈单元和输出单元，探测器将探测到的电荷信号输入放大单元，放大单元把电荷信号进行初步放大后输入到转换单元；放大后的电荷信号经转换单元转换成为预设规格的电压信号；电路中的反馈单元把转换单元输出的电压信号从输出端反馈到输入端，在这个过程中改善电路中的性能指标，中和系统中的噪声，实现降噪；电路中的输出单元对电压信号进行再一次的处理。通过这些技术手段对电路进行降噪，从而避免了信号被噪声全部淹没现象的发生，提高电荷信号的处理成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的电荷电压转换放大电路的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的电荷电压转换放大电路的另一种结构示意图；

图3是本申请实施例一中的电荷电压转换放大电路的电路示意图；

图4是本申请实施例二中的电荷电压转换放大电路的结构示意图；

图5是本申请实施例三中的电荷电压转换放大电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请提供了一种电荷电压转换放大电路，用于放大电荷探测器感应电荷所输出的电荷信号。

实施例一

参见图1，电荷电压转换放大电路包括放大单元110、转换单元120、反馈单元130和输出单元200。

放大单元110的输入端用于连接探测器并放大探测器输出的电荷信号；转换单元120的输入端连接于放大单元110的输出端，用于将放大单元110放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号；反馈单元130的输入端连接于转换单元120的输出端，输出端连接于放大单元110的输入端。放大单元、转换单元和反馈单元形成一个闭环，输出端信号反馈到输入端，可以改善放大电路的性能指标。输出单元200的输入端连接于转换单元120的输出端，输出单元200用于处理所述转换单元120输出的电压信号，对电压信号进行处理，改善电路性能。

在一实施方式中，参见图3，在电荷电压转换放大电路中，放大单元110包括第一场效应管U1和第二场效应管U2。第一场效应管U1的栅极连接于所述探测器，第一场效应管U1的漏极与第二场效应管U2的源极相连，第二场效应管U2的漏极与转换单元的输入端相连；第一场效应管U1的源极接地，第二场效应管U2的栅极接地。探测器输出的电荷信号Qin从第一场效应管U1的栅极进入电荷电压转换放大电路。在第一场效应管U1和第二场效应管U2中，探测器输出的电荷信号Qin完成初步放大。第一场效应管U1和第二场效应管U2采用级联的方式，实现两级放大。第二场效应管U2的漏极输出的放大后的电荷信号波形与第一场效应管U1的栅极输入的放大前的电荷信号波形基本一致。

示例性的，所述第一场效应管U1和第二场效应管U2均为N沟道结型场效应晶体管，结型场效应晶体管是多数载流子导电的器件，速度高，噪声系数低，产生的噪声少。

在一实施方式中，参见图3，在电荷电压转换放大电路中，转换单元120包括第一运算放大器OP1，第一运算放大器OP1的输入端与第二场效应管U2的漏极连接，接收放大单元110放大后的电荷信号。第一运算放大器OP1将第一场效应管U1和第二场效应管U2初步放大后的电荷信号转换成电压信号输出。

在一实施方式中，参见图3，电荷电压转换放大电路还包括供电单元140，供电单元140包括第一电阻R1。第一电阻R1的一端连接于所述第一运算放大器OP1的输入端，所述第一电阻R1的另一端用于连接电源Vcc。电源Vcc为电荷电压转换放大电路提供驱动电压。

在一实施方式中，参见图3，在电荷电压转换放大电路中，反馈单元130包括第一电容C1和第二电阻R2，第一电容C1和第二电阻R2并联连接。第一电容C1的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极；第二电阻R2的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极。第一运算放大器OP1的电压增益非常大，在电荷电压转换放大电路中加入反馈单元130，使电路能稳定运行。负载单元130将输出端信号反馈到输入端，从而改善放大电路中的性能指标，其中第一电容C1中和电荷电压转换放大电路中的大部分噪声，实现降噪的目的。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200包括隔直单元210，隔直单元210的输入端连接于转换单元130的输出端，隔直单元210用于隔离电压信号中的直流部分，输出交流信号。

在一实施方式中，参见图3，在电荷电压转换放大电路中，隔直单元210包括用于过滤直流分量的第二电容C2，第二电容C2的输入端连接于第一运算放大器OP1的输出端，接收经第一运算放大器OP1转换后的预设规格的电压信号。探测器输出的电荷信号中会带有直流分量，在放大转换过程中也会引入一些直流分量，所以需要设有隔直单元210对直流分量进行处理。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200包括还包括用于处理交流电压的缓冲单元220，缓冲单元220的输入端与所述隔直单元210的输出端连接。如图3所示，缓冲单元220包括处理交流电压的第二运算放大器OP2，第二运算放大器OP2的输入端与第二电容C2的输出端连接。第二运算放大器OP2可增加电路中交流电压信号的驱动能力。

实施例二

如图1所示，电荷电压转换放大电路包括放大单元110、转换单元120、反馈单元130和输出单元200。

放大单元110的输入端用于连接探测器并放大探测器输出的电荷信号；转换单元120的输入端连接于放大单元110的输出端，用于将放大单元110放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号；反馈单元130的输入端连接于转换单元120的输出端，输出端连接于放大单元110的输入端。放大单元、转换单元和反馈单元形成一个闭环，输出端信号反馈到输入端，可以改善放大电路的性能指标。输出单元200的输入端连接于转换单元120的输出端，输出单元200用于处理所述转换单元120输出的电压信号，对电压信号进行处理，改善电路性能。

在一实施方式中，参见图4，在电荷电压转换放大电路中，放大单元110包括第一场效应管U1和第二场效应管U2。第一场效应管U1的栅极连接于所述探测器，第一场效应管U1的漏极与第二场效应管U2的源极相连，第二场效应管U2的漏极与转换单元的输入端相连；第一场效应管U1的源极接地，第二场效应管U2的栅极接地。探测器输出的电荷信号Qin从第一场效应管U1的栅极进入电荷电压转换放大电路。在第一场效应管U1和第二场效应管U2中，探测器输出的电荷信号Qin完成初步放大。第一场效应管U1和第二场效应管U2采用级联的方式，实现两级放大。第二场效应管U2的漏极输出的放大后的电荷信号波形与第一场效应管U1的栅极输入的放大前的电荷信号波形基本一致。

示例性的，所述第一场效应管U1和第二场效应管U2均为N沟道结型场效应晶体管，结型场效应晶体管是多数载流子导电的器件，速度高，噪声系数低，产生的噪声少。

在一实施方式中，参见图4，在电荷电压转换放大电路中，转换单元120包括第一运算放大器OP1，第一运算放大器OP1的输入端与第二场效应管U2的漏极连接，接收放大单元110放大后的电荷信号。第一运算放大器OP1将第一场效应管U1和第二场效应管U2初步放大后的电荷信号转换成电压信号输出。

在一实施方式中，参见图4，电荷电压转换放大电路还包括供电单元140，供电单元140包括第一电阻R1。第一电阻R1的一端连接于所述第一运算放大器OP1的输入端，所述第一电阻R1的另一端用于连接电源Vcc。电源Vcc为电荷电压转换放大电路提供驱动电压。

在一实施方式中，参见图4，在电荷电压转换放大电路中，反馈单元130包括第一电容C1和第二电阻R2，第一电容C1和第二电阻R2并联连接。第一电容C1的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极；第二电阻R2的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极。第一运算放大器OP1的电压增益非常大，在电荷电压转换放大电路中加入反馈单元130，使电路能稳定运行。负载单元130将输出端信号反馈到输入端，从而改善放大电路中的性能指标，其中第一电容C1中和电荷电压转换放大电路中的大部分噪声，实现降噪的目的。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200包括隔直单元210，隔直单元210的输入端连接于转换单元130的输出端，隔直单元210用于隔离电压信号中的直流部分，输出交流信号。

在一实施方式中，参见图4，在电荷电压转换放大电路中，隔直单元210包括用于过滤直流分量的第二电容C2，第二电容C2的输入端连接于第一运算放大器OP1的输出端，接收经第一运算放大器OP1转换后的预设规格的电压信号。探测器输出的电荷信号中会带有直流分量，在放大转换过程中也会引入一些直流分量，所以需要设有隔直单元210对直流分量进行处理。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200还包括用于处理交流电压的缓冲单元220，缓冲单元220的输入端与隔直单元210的输出端连接。如图4所示，缓冲单元220包括处理差分驱动器，差分驱动器的输入端与第二电容C2的输出端连接，差分驱动器用于输出差分信号。差分传输的信号能够对外部干扰起到很强的抗干扰能力。

实施例三

参见图1所示，电荷电压转换放大电路包括放大单元110、转换单元120、反馈单元130和输出单元200。

放大单元110的输入端用于连接探测器并放大探测器输出的电荷信号；转换单元120的输入端连接于放大单元110的输出端，用于将放大单元110放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号；反馈单元130的输入端连接于转换单元120的输出端，输出端连接于放大单元110的输入端。放大单元、转换单元和反馈单元形成一个闭环，输出端信号反馈到输入端，可以改善放大电路的性能指标。输出单元200的输入端连接于转换单元120的输出端，输出单元200用于处理所述转换单元120输出的电压信号，对电压信号进行处理，改善电路性能。

在一实施方式中，参见图5，在电荷电压转换放大电路中，放大单元110包括第一场效应管U1和第二场效应管U2。第一场效应管U1的栅极连接于所述探测器，第一场效应管U1的漏极与第二场效应管U2的源极相连，第二场效应管U2的漏极与转换单元的输入端相连；第一场效应管U1的源极接地，第二场效应管U2的栅极接地。探测器输出的电荷信号Qin从第一场效应管U1的栅极进入电荷电压转换放大电路。在第一场效应管U1和第二场效应管U2中，探测器输出的电荷信号Qin完成初步放大。第一场效应管U1和第二场效应管U2采用级联的方式，实现两级放大。第二场效应管U2的漏极输出的放大后的电荷信号波形与第一场效应管U1的栅极输入的放大前的电荷信号波形基本一致。

示例性的，所述第一场效应管U1和第二场效应管U2均为N沟道结型场效应晶体管，结型场效应晶体管是多数载流子导电的器件，速度高，噪声系数低，产生的噪声少。

在一实施方式中，参见图5，在电荷电压转换放大电路中，转换单元120包括第一运算放大器OP1，第一运算放大器OP1的输入端与第二场效应管U2的漏极连接，接收放大单元110放大后的电荷信号。第一运算放大器OP1将第一场效应管U1和第二场效应管U2初步放大后的电荷信号转换成电压信号输出。

在一实施方式中，参见图5，电荷电压转换放大电路还包括供电单元140，供电单元140包括第一电阻R1。第一电阻R1的一端连接于所述第一运算放大器OP1的输入端，所述第一电阻R1的另一端用于连接电源Vcc。电源Vcc为电荷电压转换放大电路提供驱动电压。

在一实施方式中，参见图5，在电荷电压转换放大电路中，反馈单元130包括第一电容C1和第二电阻R2，第一电容C1和第二电阻R2并联连接。第一电容C1的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极；第二电阻R2的一端连接于第一运算放大器OP1的输出端，另一端连接于第一场效应管U1的栅极。第一运算放大器OP1的电压增益非常大，在电荷电压转换放大电路中加入反馈单元130，使电路能稳定运行。负载单元130将输出端信号反馈到输入端，从而改善放大电路中的性能指标，其中第一电容C1中和电荷电压转换放大电路中的大部分噪声，实现降噪的目的。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200包括隔直单元210，隔直单元210的输入端连接于转换单元130的输出端，隔直单元210用于隔离电压信号中的直流部分，输出交流信号。

在一实施方式中，参见图5，在电荷电压转换放大电路中，隔直单元210包括用于过滤直流分量的第二电容C2，第二电容C2的输入端连接于第一运算放大器OP1的输出端，接收经第一运算放大器OP1转换后的预设规格的电压信号。探测器输出的电荷信号中会带有直流分量，在放大转换过程中也会引入一些直流分量，所以需要设有隔直单元210对直流分量进行处理。

在一实施方式中，参见图2，在电荷电压转换放大电路中，输出单元200还包括用于处理交流电压的缓冲单元220，缓冲单元220的输入端与隔直单元210的输出端连接。如图5所示，缓冲单元220包括电压跟随器，电压跟随器的输入端与第二电容C2的输出端连接。电压跟随器实现输出电压跟随输入电压变化，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近于1。

本申请各实施例提供的电荷电压转换放大电路，用于放大电荷探测器感应电荷所输出的电荷信号。电荷电压转换放大电路包括放大单元、转换单元、反馈单元和输出单元，探测器将探测到的电荷信号输入放大单元，放大单元把电荷信号进行初步放大后输入到转换单元；放大后的电荷信号经转换单元转换成为预设规格的电压信号；电路中的反馈单元把转换单元输出的电压信号从输出端反馈到输入端，在这个过程中改善电路中的性能指标，中和系统中的噪声，实现降噪；电路中的输出单元对电压信号进行再一次的处理。通过这些技术手段对电路进行降噪，从而避免了信号被噪声全部淹没现象的发生，提高电荷信号的处理成功率。

本申请还提供了一种电子装置，包括电路板，电路板上设有前述实施例中的电荷电压转换放大电路。该电子装置可用于传感器应用领域，例如通过压电式传感器获取压力信号、通过光电传感器获取光的信号等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电荷电压转换放大电路，用于放大电荷探测器感应电荷所输出的电荷信号，其特征在于：所述电荷电压转换放大电路包括放大单元、转换单元、反馈单元和输出单元；

所述放大单元的输入端用于连接探测器并放大所述探测器输出的电荷信号；所述转换单元的输入端连接于所述放大单元的输出端，所述转换单元用于将所述放大单元放大后的电荷信号转换为预设规格的电压信号；所述反馈单元的输入端连接于所述转换单元的输出端，所述反馈单元的输出端连接于所述放大单元的输入端；

所述输出单元的输入端连接于所述转换单元的输出端，所述输出单元用于将所述转换单元输出的电压信号处理后输出。

2.根据权利要求1所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述放大单元包括第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管的栅极连接于所述探测器，所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的源极相连，所述第二场效应管的漏极与所述转换单元的输入端相连；所述第一场效应管的源极接地，所述第二场效应管的栅极接地。

3.根据权利要求2所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述转换单元包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端与所述第二场效应管的漏极连接，所述第一运算放大器的输出端连接于所述反馈单元的输入端；所述电荷电压转换放大电路还包括供电单元，所述供电单元包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，所述第一电阻的另一端用于连接电源。

4.根据权利要求3所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述反馈单元包括第一电容和第二电阻，所述第一电容和所述第二电阻并联连接；所述第一电容的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，另一端连接于所述第一场效应管的栅极；所述第二电阻的一端连接于所述第一运算放大器的输出端，另一端连接于所述第一场效应管的栅极。

5.根据权利要求1所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述输出单元包括隔直单元，所述隔直单元的输入端连接于所述转换单元的输出端。

6.根据权利要求5所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述隔直单元包括用于过滤直流分量的第二电容，所述第二电容的输入端连接于第一运算放大器的输出端，所述第二电容的输出端输出交流电压。

7.根据权利要求5所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述输出单元还包括缓冲单元，所述缓冲单元的输入端与所述隔直单元的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述缓冲单元包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端与所述隔直单元的输出端连接。

9.根据权利要求7所述的电荷电压转换放大电路，其特征在于：所述缓冲单元包括差分驱动器，所述差分驱动器的输入端与所述隔直单元的输出端连接，所述差分驱动器用于输出差分信号；或者所述缓冲单元包括电压跟随器，所述电压跟随器的输入端与所述隔直单元的输出端连接。

10.一种电子装置，其特征在于：包括电路板，所述电路板上设有权利要求1-9中任意一项所述的电荷电压转换放大电路。