一种用于抑制共模信号的差分放大电路的研究

朱士龙　朱嘉林　陈福彬

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。

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

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

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：

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

从输入端看反馈电路，相当于将[Zf1+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：

[Uo=-AQ（1+A）Cf≈-QCf] （2）

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]：