一种基于电荷放大的检波器全差分电路的制作方法

本发明属于地震勘探技术领域，尤其涉及一种基于电荷放大的检波器全差分电路。

背景技术：

在地震勘探系统中，检波器承担将接受的地层震动波转换为电信号输出的任务，来自震源产生的地震波，向地层深处传播，并将带有地层信息的反射波传递到垂直地面插入的检波器进行接受，由于震源强度的限制以及地层介质的衰减，检波器需要接受地层深处传来的地震波弱信号。要完整的准确反应地层信息，就必须要求检波器具有足够的灵敏度和足够的接受频带宽度，并具备抵御外界干扰的能力。

检波器完成震动能量的机电转换，电信号经过放大整理后，输出到后续采集站和地震仪进行存储和分析。震源激发一般采取炸药或人工震源，受物理特征和条件限制，震动信号向地层传递过程中低频信号的损失，加之检波器自身接受低频信号的部分衰减。造成检波器接受并传递给地震仪的信号中，低频信息分量的不足，这会直接影响地震勘探资料的成像水平和地层面貌的真实反映。由于地震信号在地层深处传递时，高频信息随着传递深度增加衰减较快，低频信息更是在深层勘探中起主要作用，因而如果因各种原因造成低频信息的缺失，将会影响勘探采集信号的信噪比，从而影响深层的勘探效果。

现行陆用压电检波器采用电压提取放大的原理，电压提取放大对电路有着严格的要求，首先相对压电容性特征，其必须具备足够高的输入阻抗，才能有效提取所需要的低频信息。但过高的输入阻抗会带来噪声和零漂的加剧。其次电路与压电晶体为主体的起震单元(机芯)直接连接线缆不易过长，否则缆线电阻和分布电容会带来较大的损耗和较大的干扰。仅此两点，对采用电压提取放大的压电检波器的性能提高带来一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种无需较高的输入阻抗，就能有效提高低频接受能力的压电检波器电路；本发明的目的之二是提供一种无论传输线的长短，都能提供较高的共模抑制比来抵御噪声干扰的压电检波器电路；本发明的目的之三是提供一种传输线的长度不影响传输信号电压幅度的衰减的压电检波器电路；本发明的目的之四是提供一种分布电容不影响频带宽度的压电检波器电路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于电荷放大的检波器全差分电路，至少包括机芯单元和后续滤波及采集电路，还包括电荷放大电路；所述的电荷放大电路的输入正极与机芯单元的输出正极相连接，电荷放大电路的输入负极与机芯单元的输出负极相连接；电荷放大电路的输出正极与后续滤波及采集电路的输入正极相连接，电荷放大电路的输出负极与后续滤波及采集电路的输入负极相连接。

所述的电荷放大电路由电荷转换电路和电压放大电路组成；电荷转换电路的输入正极与机芯单元的输出正极相连接，电荷转换电路的输出正极与电压放大电路的输入正极相连接；电荷转换电路的输入负极与机芯单元的输出负极相连接，电荷转换电路的输出负极与电压放大电路的输入负极相连接；电压放大电路的输出正极与后续滤波及采集电路的输入正极相连接，电压放大电路的输出负极与后续滤波及采集电路的输入负极相连接。

所述的电荷转换电路由第一运算放大器、第二运算放大器、第一反馈电容、第二反馈电容、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一接地电阻和第二接地电阻组成；所述的第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端与机芯单元的输出连接；第一反馈电容与第一反馈电阻并联后的一端连接于第一运算放大器的反相输入端，第一反馈电容与第一反馈电阻并联后的另一端连接于第一运算放大器的反相输出端；第二反馈电容和第二反馈电阻并联后的一端连接于第二运算放大器的反相输入端，第二反馈电容和第二反馈电阻并联后的另一端连接于第二运算放大器的反相输出端；第一接地电阻和第二接地电阻的一端分别连接于第一运算放大器和第二运算放大器的同相输入端，第一接地电阻和第二接地电阻的另一端接地。

所述的电荷转换电路由第一运算放大器、第二运算放大器、第一反馈电容、第二反馈电容、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一接地电阻和第二接地电阻组成；所述的第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端与机芯单元的输出连接；第一反馈电容与第一反馈电阻并联后的一端连接于第一运算放大器的反相输入端，第一反馈电容与第一反馈电阻并联后的另一端连接于电压放大电路的正极输入端；第二反馈电容和第二反馈电阻并联后的一端连接于第二运算放大器的反相输入端，第二反馈电容和第二反馈电阻并联后的另一端连接于电压放大电路的负极输入端；第一接地电阻和第二接地电阻的一端分别连接于第一运算放大器和第二运算放大器的同相输入端，第一接地电阻和第二接地电阻的另一端接地。

所述的电压放大电路是全差分的同相电压放大电路或全差分的反相电压放大电路。

所述的第一反馈电容和第二反馈电容的容值相等；第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一接地电阻和第二接地电阻的阻值相等；第一运算放大器和第二运算放大器是相同的运算放大器。

所述的第一反馈电阻和第二反馈电阻采用的金属膜电阻；第一运算放大器和第二运算放大器采用的是lf356型运算放大器。

所述的同相放大电路由第三运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成；第三运算放大器和第四运算放大器的同相输入端与电荷转换电路的输出端连接；第一电阻和第二电阻串联并接地组成输入电阻电路，并接于第三运算放大器和第四运算放大器的同相输入端；第三电阻、第四电阻和第五电阻组成负反馈回路，第三电阻和第四电阻分别接与第三运算放大器和第四运算放大器的反相输入端和输出端之间，第五电阻连接于第三运算放大器和第四运算放大器的反相输入端之间；第一电阻和第二电阻阻值相等；第三电阻和第四电阻阻值相等。

所述全差分的反相放大电路由第三运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻组成，第三运算放大器和第四运算放大器的反相输入端通过第一电阻和第三电阻与电荷转换电路输出连接；第五电阻和第六电阻串联并接地组成接地电路，并接于第三运算放大器和第四运算放大器的同相输入端，第一电阻和第二电阻、第三电阻和第四电阻组成负反馈回路；第二电阻、第四电阻分别分别接与三运算放大器、第四运算放大器的反相输入端和输出端之间；第一电阻、第三电阻连接于三运算放大器、第四运算放大器的反相输入端，并与第二电阻、第四电阻相连。

所述的第一电阻与第三电阻的阻值相等；第二电阻与第四电阻的阻值相等；第五电阻和第六电阻的阻值相等。

有益效果：本发明通过由电荷转换电路和电压放大电路组成的电荷放大电路、机芯单元和后续滤波及采集电路的构成，提供了一种无需较高的输入阻抗，就能有效提高低频接受能力，无论传输线的长短，都能提供较高的共模抑制比来抵御噪声的干扰，传输线的长度不影响传输信号电压幅度的衰减，分布电容不影响频带宽度的压电检波器电路。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明电路原理图；

图2是本发明全差分电荷转换电路示意图；

图3是本发明全差分同相放大电路示意图；

图4是本发明全差分反相放大电路示意图；

图5是电荷放大电路示意图一；

图6是电荷放大电路示意图二；

图7是电荷放大电路示意图三。

图中，1-机芯单元；2-电荷转换电路；3-电压放大电路；4-后续滤波及采集电路；5-电荷放大电路；a1-第一运算放大器；a2-第二运算放大器；a3-第三运算放大器；a4-第四运算放大器；c1-第一反馈电容；c2-第二反馈电容；r1-第一反馈电阻；r2第二反馈电阻；r3-第一接地电阻；r4-第二接地电阻；r5-第一电阻；r6-第二电阻；r7-第三电阻；r8-第四电阻；r9-第五电阻；r10-第六电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据图1-7所示的一种基于电荷放大的检波器全差分电路，至少包括机芯单元1和后续滤波及采集电路4，还包括电荷放大电路；所述的电荷放大电路的输入正极与机芯单元1的输出正极相连接，电荷放大电路的输入负极与机芯单元1的输出负极相连接；电荷放大电路的输出正极与后续滤波及采集电路4的输入正极相连接，电荷放大电路的输出负极与后续滤波及采集电路4的输入负极相连接。

优选的是所述的电荷放大电路由电荷转换电路2和电压放大电路3组成；电荷转换电路2的输入正极与机芯单元1的输出正极相连接，电荷转换电路2的输出正极与电压放大电路3的输入正极相连接；电荷转换电路2的输入负极与机芯单元1的输出负极相连接，电荷转换电路2的输出负极与电压放大电路3的输入负极相连接；电压放大电路3的输出正极与后续滤波及采集电路4的输入正极相连接，电压放大电路3的输出负极与后续滤波及采集电路4的输入负极相连接。

在实际使用时，整个检波器前置放大器由电荷转换电路2和电压放大电路3组成，借鉴电压提取放大电路的全差分原理，整个检波器电路采取全差分平衡模式，其优点是整个电路具有极高的共模抑制比，抵御外界干扰能力较强。基于用于电荷放大的由压电晶片组成的机芯单元1输出电荷，机芯单元1将采用利于电荷产生和输出的并串联组合方式。电荷转换电路2完成电荷-电压的转换，将电荷输入转为电压输出，电压放大电路3放大信号电压，以满足检波器整机灵敏度的要求。后续滤波和采集电路完成频带的整合和数据的采集。

实施例二：

根据图1、图5和图6所示的一种基于电荷放大的检波器全差分电路，与实施例一不同之处在于：所述的电荷转换电路2由第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第一反馈电容c1、第二反馈电容c2、第一反馈电阻r1、第二反馈电阻r2、第一接地电阻r3和第二接地电阻r4组成；所述的第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的反相输入端与机芯单元1的输出连接；第一反馈电容c1与第一反馈电阻r1并联后的一端连接于第一运算放大器a1的反相输入端，第一反馈电容c1与第一反馈电阻r1并联后的另一端连接于第一运算放大器a1的反相输出端；第二反馈电容c2和第二反馈电阻r2并联后的一端连接于第二运算放大器a2的反相输入端，第二反馈电容c2和第二反馈电阻r2并联后的另一端连接于第二运算放大器a2的反相输出端；第一接地电阻r3和第二接地电阻r4的一端分别连接于第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的同相输入端，第一接地电阻r3和第二接地电阻r4的另一端接地。

优选的是所述的第一反馈电容c1和第二反馈电容c2的容值相等；第一反馈电阻r1、第二反馈电阻r2、第一接地电阻r3和第二接地电阻r4的阻值相等；第一运算放大器a1和第二运算放大器a2是相同的运算放大器。

优选的是所述的第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r2采用的是金属膜电阻；第一运算放大器a1和第二运算放大器a2采用的是lf356型运算放大器。

优选的是所述的电压放大电路3是全差分的同相电压放大电路或全差分的反相电压放大电路。

在实际使用时，运算放大器a1、a2，反馈电容c1、c2，反馈电阻r1、r2，接地电阻r3、r4一起组成基本的电容负反馈的电荷转换电路2，完成电荷-电压的转换。机芯单元1的输出连接到a1和a2的反相输入端，c1、r1并联，c2和r2并联分别连接于a1和a2的反相输入端和输出端之间，r3和r4分别连接于a1和a2的同相输入端，另一端接地。其中c1、c2的容值相等，r1、r2，r3、r4阻值相等。a1和a2选用相同的运算放大器。

如c1、c2的容值为c，那么电荷转换电路2完成电荷q到电压v1的转换，q-v，其输出电压v1：

v1＝q/c

q为机芯单元1接受振动信号，由压电效应而产生的电荷量。基于电荷转换电路2提取的是电荷量，机芯单元1中压电晶片的组合一般采取并串联方式。既考虑电荷放大需要的压电效应电荷量，又考虑电压放大电路3的差分输入。其适合电荷放大的机芯结构在我公司另外的机芯结构专利中详述。

r1和r2为反馈电阻，起到稳定电路，并和c1、c2一起决定工作频带上限的作用。

电容c1和c2决定q-v的转换率，且性能的好坏也直接决定着电荷放大器稳定性和可靠性，所以c1、c2应当具有高泄漏电阻、好的吸附效应、高的稳定性等高性能，通常选择聚苯乙烯电容作为反馈电容。a1和a2宜选用输入阻抗较高、偏置电流和失调电流较小的运算放大器，可选用lf356。

实施例三：

根据图1和图7所示的一种基于电荷放大的检波器全差分电路，与实施例二不同之处在于：所述的电荷转换电路2由第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第一反馈电容c1、第二反馈电容c2、第一反馈电阻r1、第二反馈电阻r2、第一接地电阻r3和第二接地电阻r4组成；所述的第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的反相输入端与机芯单元1的输出连接；第一反馈电容c1与第一反馈电阻r1并联后的一端连接于第一运算放大器a1的反相输入端，第一反馈电容c1与第一反馈电阻r1并联后的另一端连接于电压放大电路3的正极输入端；第二反馈电容c2和第二反馈电阻r2并联后的一端连接于第二运算放大器a2的反相输入端，第二反馈电容c2和第二反馈电阻r2并联后的另一端连接于电压放大电路3的负极输入端；第一接地电阻r3和第二接地电阻r4的一端分别连接于第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的同相输入端，第一接地电阻r3和第二接地电阻r4的另一端接地。

r1和r2为反馈电阻，起到稳定电路，并和c1、c2一起决定工作频带上限的作用。

电容c1和c2决定q-v的转换率，且性能的好坏也直接决定着电荷放大器稳定性和可靠性，所以c1、c2应当具有高泄漏电阻、好的吸附效应、高的稳定性等高性能，通常选择聚苯乙烯电容作为反馈电容。a1和a2宜选用输入阻抗较高、偏置电流和失调电流较小的运算放大器，可选用lf356。

实施例四：

根据图1、图3、图5和图7所示的一种基于电荷放大的检波器全差分电路，与实施例一不同之处在于：所述的同相电压放大电路由第三运算放大器a3、第四运算放大器a4、第一电阻r5、第二电阻r6、第三电阻r7、第四电阻r8和第五电阻r9组成；第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的同相输入端与电荷转换电路2的输出端连接；第一电阻r5和第二电阻r6串联并接地组成输入电阻电路，并接于第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的同相输入端；第三电阻r7、第四电阻r8和第五电阻r9组成负反馈回路，第三电阻r7和第四电阻r8分别接与第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的反相输入端和输出端之间，第五电阻r9连接于第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的反相输入端之间；第一电阻r5和第二电阻r6阻值相等；第三电阻r7和第四电阻r8阻值相等。

优选的是所述的第一电阻r5与第三电阻r7的阻值相等；第二电阻r6与第四电阻r8的阻值相等；第五电阻r9和第六电阻r10的阻值相等。

本技术方案中第三电阻r7、第四电阻r8、第五电阻r9组成负反馈回路，其中第一电阻r5等于第二电阻r6，第三电阻r7等于第四电阻r8，则电压放大倍数a＝v2/v1＝1+2r7/r9＝1+2r8/r9。在实际使用时，电压放大器完成q-v转换后的电压放大，v1-v2，满足了整机灵敏度的要求，有效提高低频接受能力，提供了较高的共模抑制比来抵御噪声的干扰；分布电容也不影响频带宽度。

实施例五：

根据图1、图4和图6所示的一种基于电荷放大的检波器全差分电路，与实施例一不同之处在于：所述全差分的反相电压放大电路由第三运算放大器a3、第四运算放大器a4、第一电阻r5、第二电阻r6、第三电阻r7、第四电阻r8、第五电阻r9和第六电阻r10组成，第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的反相输入端通过第一电阻r5和第三电阻r7与电荷转换电路2输出连接；第五电阻r9和第六电阻r10串联并接地组成接地电路，并接于第三运算放大器a3和第四运算放大器a4的同相输入端，第一电阻r5和第二电阻r6、第三电阻r7和第四电阻r8组成负反馈回路；第二电阻r6、第四电阻r8分别分别接与三运算放大器a3、第四运算放大器a4的反相输入端和输出端之间；第一电阻r5、第三电阻r7连接于三运算放大器a3、第四运算放大器a4的反相输入端，并与第二电阻r6、第四电阻r8相连。

优选的是所述的第一电阻r5与第三电阻r7的阻值相等；第二电阻r6与第四电阻r8的阻值相等；第五电阻r9和第六电阻r10的阻值相等。

本技术方案中，r5＝r7、r6＝r8、r9＝r10，则电压放大倍数a＝v2/v1＝r6/r5＝r8/r7，全差分的反相放大电路与电荷转换电路2一起构成电荷放大电路，有效提了高低频接受能力，都能提供较高的共模抑制比来抵御噪声的干扰。

综上所述，本发明通过由电荷转换电路2和电压放大电路3组成的电荷放大电路、机芯单元1和后续滤波及采集电路4的构成，提供了一种无需较高的输入阻抗，就能有效提高低频接受能力，无论传输线的长短，都能提供较高的共模抑制比来抵御噪声的干扰，传输线的长度不影响传输信号电压幅度的衰减，分布电容不影响频带宽度的压电检波器电路。在实际使用时，根据电路要求，电荷转换电路2的反馈电容和电阻也可以选择性的跨接于机芯单元1输出和电压放大电路3输出之间，如图7所示。通过加深反馈深度达到进一步提高了整体电路的稳定性的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述，近视本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。