朱士龙，朱嘉林，陈福彬
（北京信息科技大学，北京100192）
摘要：在GIS检测系统中，电荷放大器检测到的信号中往往含有较多的共模干扰，常用的电荷放大器满足不了要求。基于此问题，利用电荷放大器的基本原理，设计一种三运放差分放大电路。该电路由3个电荷运算放大器组成，电路中确定了运算放大器的型号以及主要器件和参数。经过Multisim仿真和硬件电路实验检测证明，该电路能有效地抑制GIS闪络故障中的共模噪声，而且拥有较宽的工作频率。因此，该电路可以稳定的工作在频率为10~180 kHz的范围内，而且能有效地抑制信号中的共模信号干扰，具有失真小、动态范围大等特点。
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关键词 ：共模信号；电荷放大器；三运放差分放大电路；噪声抑制；GIS
中图分类号：TN721?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0110?03
气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）因占地面积小、绝缘性能优良、可靠性高等优点而被广泛应用于高压输电领域；但GIS设备在使用中，存在着发生闪络故障的可能性。传统的检测电力设备闪络故障的主要方法是通过电荷放大器采集压电陶瓷传感器传来的信号[1]。由于设备工作的环境中含有许多噪声信号，尤其是电磁波，而且压电陶瓷传感器对共模信号比较敏感，所以采集到的信号中往往夹杂着众多的共模噪声[2]。这就使得信号的检测随机性强，很难准确判定闪络位置。因此，如何利用前置放大电路有效地抑制共模干扰，是故障定位的关键。目前，三运放差分电荷放大电路在其他领域有一定的研究，但是大多只是停留在理论方面，而且失真大，动态范围小[3]。因此本文从差分电荷放大器电路的结构、原理和实用性出发，设计了一种由3个差分电荷放大器组成的轨对轨电路方案，主要用于抑制共模信号并对信号进行初步的放大。通过Multisim 仿真和实验得出，它能够很好地增大输出电压的幅值，抑制信号中的共模信号，而且失真小，动态范围宽。
1 电荷放大器的构成及原理
从压电陶瓷传感器的功能来看，可将其看成一个电荷发生器即一个电荷源，同时也是一个电容器，所以可以将此类传感器等效为一个与电容器并联的电荷源。因此，传感器与电荷放大器的等效电路如图1 所示[4]。其中：Q 是压电晶体受到压力作用产生的电荷量；Ca 是传感器固有电容；Cc 是出入电缆的等效电容；Gc 是输入电缆漏电导；Ci 是放大器的输入电容；Gi 是放大器的输入电导；Cf 是电荷放大器的反馈回路电容，Gf 是放大器的反馈电导，运算放大器的开环系数为A。
电荷放大器是深度电容负反馈放大器的一种，对直流工作点相当于开路，对电缆噪声比较敏感，所以放大器的零漂比较严重，很容易产生较大误差。为了减小此误差，Gf 通常选用阻值较大的电阻，数量级一般选为1010~1014 Ω，根据运算放大器知识和电路理论可知：
从输入端看反馈电路，相当于将Zf/(1 + A)的阻抗加入了输入端，那么输入阻抗就明显减小了。所以反馈电容对输入端的影响就增加了（1+A）倍。这增大了输入回路的时间常数，因此电容Ca，Cc，Ci对电路的影响可以忽略。所以，在Ga，Gi和Gf足够小时，式（1）可以写为：
当频率较小时，（1+A）Gf 的值与ωCf （1+A）的值相近，那么（1+A）Gf 的作用就不可以被忽略。根据复变函数理论，输出电压的幅频响应函数为[5]：
通过以上推导，可以看出电荷放大器的输出电压值Uo与电荷量Q 的大小成正比，而与信号的频率和电缆电容Cc无关。因此，可以对传感器的导线长度没有具体要求。
2 三运放差分电荷放大电路的原理和设计
在实际的应用中，由于压电传感器输出的电荷量较小，所以对于普通的差动式电荷放大电路，不能良好地抑制共模干扰，共模干扰变成叠加在有用信号上的噪声，输出的信噪比高。本文所设计的电荷放大器由两级组成，基本电路图如图2所示。
2.1 电路原理
电路采用3 个电荷运算放大器组成放大器电路的基本结构。第一级由2个差分电荷放大器组成，采用轨对轨方式，电路的失真小，动态范围非常大。另外，它采用单电容负反馈回路，采集到的电荷信号能够完全的在反馈电容上得到积累，这能够很大程度上提高电荷放大器输出信号的幅度，为后续电路对信号的处理提供便利。电阻R2，R8和电容C2，C4是匹配电阻和电容，为了后续接入滤波电路。第二级是由1 个差分放大器组成。第一级将输出信号分别输入到第二级的正负端，由差分放大电路的原理可知，当R4=R5=R10=R11时，输出电压Vo=V+-V-=0。所以电路中R4，R5，R10，R11 的阻值选的完全一样。这样更有利于共模信号的消除。电路中C3，C5是为了补偿LF356的各种漂移。
2.2 运放的选择
运算放大器选用目前应用最为广泛的德州仪器生产的LF356AH集成运放。该放大器是宽带型结型场效应高输入阻抗运算放大器，取代了混合模块场效应管放大器，价格低廉、产品量大面广，能够有效地降低成本。同时，它还具有低输入偏差和偏置电流，低补偿电压漂移，偏置可调而且不会降低漂移和共模抑制比的特点。另外，它的差模输入阻抗非常高、电压电流噪声低。
2.3 电路设计
经实际考察，GIS 检测中输入信号为电压信号，且传感器的电容为10 nF。因此，仿真原理图中利用电压源与电容串联，构成电荷的输入。V1和V4为共模信号，V2和V3为差模信号。反馈电容为1 000 pF，所以电荷放大器的放大倍数为10 倍。此运放具有调零的外接端口，因此根据实际的需要，可在电路中增加电位器R13，通过R13来调节零位的输出。
3 仿真与实验
3.1 电路仿真
为了检验设计电路对共模信号的抑制能力，通过电路仿真软件Multisim对电路进行仿真[6]。通过信号发生器，输入电压大小为80 mV，频率依次为30 kHz，40 kHz，…，140 kHz，150 kHz的信号，然后通过串联一个电容，将电压信号转换为电荷信号，也就是共模信号。差模信号的电压为150 mV，频率为20 kHz。图3为将频率为20 kHz的差模信号以及频率为100 kHz的共模信号作为输入时的输出量的波形。仿真数据见表1。
由仿真图看以看出，输出信号的频率为20 kHz，幅值为299.744 mV，所以该电路能有效地消除信号中混有的共模信号，并对差模输入信号没有较大的影响。
3.2 实验测试结果
实际电路测试中，设备的选型为：函数发生器选用TFG2015 DDS，示波器型号为Tektronix TDS2012，双路跟踪稳压稳流电源型号为DH1718E?4。在信号发生器的输出端串联一个1 000 pF的电容，它的作用是将信号发生器产生的标准正弦信号转换为电荷量；利用信号发生器产生幅值为164 mV，频率为20 kHz的正弦信号；再通过反转电路，为其输入差模和共模信号。电路的输出与输入信号如图4，图5所示。由图4，图5可以看出，共模信号的幅值变成了输入信号的0.054倍，已经得到了很大程度的削减。与仿真结果相比，实验结果存在一定的差异，这是由于在实际电路中，总是存在着寄生的电阻、电容和电感的影响，以及器件本身的特点和实际电路中受到其他干扰的影响所造成的。
4 结语
本文所设计的电路工作频率在10~180 kHz 内，主要用来抑制信号中的共模信号干扰，具有失真小、动态范围大等特点。文中确定了电路中的运算放大器的型号以及主要器件和参数，并通过仿真和实验证明了此电路对共模信号的抑制能力。但是该电路中还存在一定的不足，输出信号中还存在一些其他噪声，需进一步滤波处理，以便更好地满足要求。
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参考文献
[1] 李成榕，王浩，郑书生.GIS局部放电的超声波检测频带试验研究[J].南方电网技术，2007（1）：41?45.
[2] 张微，高国旺，李汉兴，等.新型压电式传感器前置放大电路的设计[J].电子测试，2010（6）：10?14.
[3] 陶玉贵.一种新型电荷放大器的研究与设计[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2008（5）：443?447.
[4] POLO J，PALLAS?ARENY R，MARTN?VIDE J P. Anolog sig?nal processing in an AC electromagnetic flowmeter [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51（4）：793?797.
[5] 牛滨，陈松景，孙晶华，等.差动放大电路共模干扰抑制能力的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2009，14（1）：92?95.
[6] 邓维礼，秦岚，刘俊，等.基于Multisim的准静态电荷放大器仿真分析[J].国外电子测量技术，2009，28（4）：24?26.
作者简介：朱士龙（1990—），男，山东临沂人，硕士研究生。研究方向为新型传感器。
朱嘉林（1965—），男，云南石屏人，副教授。主要从事功能材料以及信号处理。
陈福彬（1980—），男，山东潍坊人，讲师。研究方向为检测技术与智能化信息处理。
