一種用于抑制共模信號的差分放大電路的研究

朱士龍　朱嘉林　陳福彬

摘 要： 在GIS檢測系統中，電荷放大器檢測到的信號中往往含有較多的共模干擾，常用的電荷放大器滿足不了要求。基于此問題，利用電荷放大器的基本原理，設計一種三運放差分放大電路。該電路由3個電荷運算放大器組成，電路中確定了運算放大器的型號以及主要器件和參數。經過Multisim仿真和硬件電路實驗檢測證明，該電路能有效地抑制GIS閃絡故障中的共模噪聲，而且擁有較寬的工作頻率。因此，該電路可以穩定的工作在頻率為10～180 kHz的范圍內，而且能有效地抑制信號中的共模信號干擾，具有失真小、動態范圍大等特點。

關鍵詞： 共模信號； 電荷放大器； 三運放差分放大電路； 噪聲抑制； GIS

中圖分類號： TN721?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0110?03

Abstract： In GIS detection system， since the signal detected by charge amplifier often contains some common?mode interference， the common charge amplifier cant meet the requirement. Based on this problem， a three?operational?amplifying differential amplification circuit was designed according to the fundamental of the charge amplifier. The circuit consists of three charge amplifiers， in which the type， the main devices and parameters of the operational amplifier are determined. The circuit can restrain common?mode noise in GIS flashover fault effectively and has wide operating frequency， which is verified by Multisim simulation and testing of the hardware circuit. This circuit can work at the range of 10～180 kHz stably， restrain the common?mode signal interference in signal effectively， and has the characteristics of low distortion and wide dynamic range.

Keywords： common?mode signal； charge amplifier； three?operational?amplifying differential amplification circuit； noise suppression； GIS

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）因占地面積小、絕緣性能優良、可靠性高等優點而被廣泛應用于高壓輸電領域；但GIS設備在使用中，存在著發生閃絡故障的可能性。傳統的檢測電力設備閃絡故障的主要方法是通過電荷放大器采集壓電陶瓷傳感器傳來的信號[1]。由于設備工作的環境中含有許多噪聲信號，尤其是電磁波，而且壓電陶瓷傳感器對共模信號比較敏感，所以采集到的信號中往往夾雜著眾多的共模噪聲[2]。這就使得信號的檢測隨機性強，很難準確判定閃絡位置。因此，如何利用前置放大電路有效地抑制共模干擾，是故障定位的關鍵。目前，三運放差分電荷放大電路在其他領域有一定的研究，但是大多只是停留在理論方面，而且失真大，動態范圍小[3]。因此本文從差分電荷放大器電路的結構、原理和實用性出發，設計了一種由3個差分電荷放大器組成的軌對軌電路方案，主要用于抑制共模信號并對信號進行初步的放大。通過Multisim仿真和實驗得出，它能夠很好地增大輸出電壓的幅值，抑制信號中的共模信號，而且失真小，動態范圍寬。

1 電荷放大器的構成及原理

從壓電陶瓷傳感器的功能來看，可將其看成一個電荷發生器即一個電荷源，同時也是一個電容器，所以可以將此類傳感器等效為一個與電容器并聯的電荷源。因此，傳感器與電荷放大器的等效電路如圖1所示[4]。其中：Q是壓電晶體受到壓力作用產生的電荷量；Ca是傳感器固有電容；Cc是出入電纜的等效電容；Gc是輸入電纜漏電導；Ci是放大器的輸入電容；Gi是放大器的輸入電導；Cf是電荷放大器的反饋回路電容，Gf是放大器的反饋電導，運算放大器的開環系數為A。

電荷放大器是深度電容負反饋放大器的一種，對直流工作點相當于開路，對電纜噪聲比較敏感，所以放大器的零漂比較嚴重，很容易產生較大誤差。為了減小此誤差，Gf通常選用阻值較大的電阻，數量級一般選為1010～1014 Ω，根據運算放大器知識和電路理論可知：

[Uo=-jωAQ（Gf+jωCf）（1+A）+Ga+Gi+jω（Ca+Cc+Ci）] （1）

從輸入端看反饋電路，相當于將[Zf1+A]的阻抗加入了輸入端，那么輸入阻抗就明顯減小了。所以反饋電容對輸入端的影響就增加了（1+A）倍。這增大了輸入回路的時間常數，因此電容Ca，Cc，Ci對電路的影響可以忽略。所以，在Ga，Gi和Gf足夠小時，式（1）可以寫為：

[Uo=-AQ（1+A）Cf≈-QCf] （2）

當頻率較小時，（1+A）Gf的值與ωCf（1+A）的值相近，那么（1+A）Gf的作用就不可以被忽略。根據復變函數理論，輸出電壓的幅頻響應函數為[5]：