專利名稱：用于控制隔離單端電路的共模阻抗失衡的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及降低電路中噪音的領(lǐng)域，并具體地涉及通過為放大器如單端放大器設(shè)置至少一個(gè)屏蔽并在此屏蔽和放大器的輸入之間耦合電容性元件，從而在放大器的輸入和任何共模電流回路之間建立平衡的阻抗，由此降低由放大器感測的共模噪音。
共模噪音經(jīng)常是在小信號輸入放大器被放大而產(chǎn)生的輸出信號中的主要噪音源，例如，單端前置放大器的輸出信號質(zhì)量非常容易受共模噪音的影響。當(dāng)電路包括允許電流從共模噪音源流經(jīng)所有有意義的信號通路并經(jīng)任何非信號通路返回到共模信號源的回路時(shí)，共模信號就會出現(xiàn)。共模信號一般由與電路回路中所有有意義的信號通路和/或任何其它非信號通路耦合的電場或梯度產(chǎn)生。這些共模信號導(dǎo)致流經(jīng)共模電路回路的共模電流。在共模電流的信號導(dǎo)線之間的任何阻抗失衡都會導(dǎo)致共模電流在失衡導(dǎo)線之間產(chǎn)生不同電壓。這導(dǎo)致共模噪音伴隨著放大器輸出中的有意義信號出現(xiàn)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已作了幾種努力來解決這一問題，即消除或抑制在放大器輸入中出現(xiàn)的共模噪音，以使由放大器產(chǎn)生的輸出信號具有高的小信號/共模噪音比，即改進(jìn)的共模信號抑制比(CMRR)?，F(xiàn)有技術(shù)的努力包括以下幾個(gè)方面
(1)通過從電場物理地移走小信號源來降低外部變化電場的影響；(2)使用單獨(dú)的儀器放大器，通過把放大器的單端輸入轉(zhuǎn)變成差動(dòng)輸入來增加CMRR；(3)對放大器電隔離來增加CMRR；以及(4)通過增加包括有源元件如運(yùn)算放大器的輔助電路來降低共模阻抗，同時(shí)，通過增加差模阻抗來提高CMRR。
在

圖1A中，示出現(xiàn)有技術(shù)中用于通過單端非隔離放大器來放大小信號的電子電路的概圖10。共模噪音源18的一端通過寄生電容15耦合到地面接地，而噪音源的另一端耦合到小信號源16。小信號源16通過其源阻抗元件(由電阻器22和電阻器24表示)耦合到單端放大器12的輸入以及放大器的基準(zhǔn)。放大器的非隔離電源(未示出)耦合到地面和電路接地。共模電流的阻抗在信號導(dǎo)線中是失衡的。這導(dǎo)致幾乎所有的共模電流都流經(jīng)電阻器24，從而在電阻器22和24兩端產(chǎn)生不同的電壓降。電壓降之差加到信號源16上，并因而產(chǎn)生輸出信號的非自然信號(artifact)。由于放大器的基準(zhǔn)是電路接地的，因此如下圖1B和1C所示，在放大器的輸入中不存在共模電壓。
圖1B為示出現(xiàn)有技術(shù)中差模放大電路的概圖26，在此電路中使用兩個(gè)連接到信號源16的(非轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換)輸入并使噪音源15為兩個(gè)輸入所共有。信號源16通過其源阻抗元件(由電阻器22和24表示)耦合到放大器20的兩個(gè)輸入。共模噪音源18被寄生電容耦合到地面接地。在工作中，噪音源18還耦合到小信號源16并存在于放大器的兩個(gè)輸入中。另外，放大器的非隔離電源(未示出)耦合到地面和電路接地。
盡管圖1B中的現(xiàn)有技術(shù)電路提高了CMRR，但它僅提供相對較小的共模阻抗并且此電路使共模電壓信號加到放大器的兩個(gè)輸入上。當(dāng)此共模電壓信號大于放大器的電源干線時(shí)，放大器會飽和并且不再放大加到其輸入上的小信號。
在圖1C中，概圖30示出基本與圖1B所示電路相似的現(xiàn)有技術(shù)差模放大電路。此這種情況下，隔離的電源(未示出)用于為放大器20供電。器件的接地層靠近地面產(chǎn)生寄生電容(由電容器28表示)。盡管因共模阻抗增加而導(dǎo)致共模電流降低，但共模信號仍然至少部分地存在于放大器的所有輸入中，因?yàn)榉糯笃魍ㄟ^電容器28既連接到地面接地也連接到電路接地。對于圖1B中所示的電路，這些共模信號可超出放大器的共模輸入范圍而導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤。然而，本電路在比圖1B所示電路更高的共模信號電平的情況下也能正確地工作。此現(xiàn)有技術(shù)電路的不利之處是由于兩個(gè)輸入都相對于電路接地漂浮，因此沒有一個(gè)輸入能象串行輸出那樣有效地用作此種裝置的外部基準(zhǔn)。
圖1D示出基本與圖1A所示電路相似的現(xiàn)有技術(shù)放大電路的概圖32。然而，在這種情況下，放大器12與在圖1C中一樣，由隔離電源(未示出)供電。器件的接地層靠近地面產(chǎn)生寄生電容(由電容器28表示)，并且因共模阻抗增加而導(dǎo)致共模電流降低。然而，與圖1A中相同，共模電流的阻抗在信號導(dǎo)線中是失衡的。這導(dǎo)致幾乎所有共模電流都流經(jīng)電阻器24，從而在電阻器22和24兩端產(chǎn)生不同的電壓降。電壓降之差加到信號源16上，并因而產(chǎn)生輸出信號的非自然信號。而且，由于放大器的基準(zhǔn)是電路接地的，如下圖1B和1C中所示，在放大器的輸入中不存在共模電壓。
本發(fā)明允許使用圖1D所示配置中的優(yōu)點(diǎn)，但排除在信號導(dǎo)線中共模電流的阻抗失衡的問題。本發(fā)明通過用兩個(gè)屏蔽--連接到電路接地和基準(zhǔn)輸入的內(nèi)屏蔽與通過阻抗元件耦合到所有其它信號輸入的外屏蔽--封閉電子電路來實(shí)現(xiàn)。這些阻抗元件一般是電容器，其值選擇得與在內(nèi)、外屏蔽之間形成的電容相匹配。這導(dǎo)致所有的信號對于共模電流具有平衡的阻抗，這本身又使共模電流對于所有信號是平衡的。因而，不發(fā)生共模向差模的轉(zhuǎn)換。以這樣的方式，本發(fā)明使有意義的小信號被放大到可用的電平，且不產(chǎn)生還包括相對較大成分共模噪音的輸出信號。
所述電容器可以是離散電容性元件。而且，所述電容器可由平板形成并且布置得與介電材料相鄰，此平板由導(dǎo)電材料制造而介電材料本身與所述完全屏蔽相鄰。選擇平板的尺寸和位置，產(chǎn)生與在所述完全屏蔽和電路接地層之間形成的寄生電容匹配的電容值。還可以預(yù)見，匹配電阻器可以與在所述屏蔽和另一屏蔽之間的電容器串聯(lián)耦合。在此種情況下，如果此電容器沒有在封閉位置，那么盡管與采用電容器和電阻器組合相比，匹配電阻器實(shí)現(xiàn)的性能有所降低，但匹配電阻器會繼續(xù)平衡共模信號的阻抗。另外，包括在電路中的放大器可以是前置放大器。
在另一實(shí)施例中，提供封閉電路的殼體。此殼體由非導(dǎo)電性材料制造。所述完全屏蔽可置于殼體的內(nèi)部，或者它可置于殼體的外表面上。當(dāng)由導(dǎo)電材料平板形成電容器時(shí)，此電容器可與殼體的內(nèi)表面相鄰布置。而且，選擇平板的尺寸和位置，以產(chǎn)生與在所述完全屏蔽和電路接地層之間形成的寄生電容相匹配的電容值。
可以預(yù)見，完全屏蔽可包括一端口，以提供訪問電路元件的途徑。而且，所述完全屏蔽可由導(dǎo)電材料的細(xì)網(wǎng)格制造。進(jìn)一步地，所述完全屏蔽可包括由導(dǎo)電材料實(shí)體層制造的部分。
在另一實(shí)施例中，所述完全屏蔽還封閉另一屏蔽，此另一屏蔽覆蓋電路中至少一部分的放大器。此另一屏蔽可耦合到電路的接地層并可與電路中的其它元件是電隔離的?？梢灶A(yù)見，此另一屏蔽可由導(dǎo)電材料的細(xì)網(wǎng)格或?qū)嶓w層制造。
本發(fā)明的另一實(shí)施例通過平衡在放大器的每個(gè)輸入和電路中任何共模電流回路之間出現(xiàn)的阻抗，以降低共模噪音源對包括放大器的電路的影響，此實(shí)施例包括(1)耦合到放大器輸入的電路接地層；(2)可封閉至少一部分電路的屏蔽，選擇此屏蔽的尺寸和位置以平衡放大器每個(gè)輸入對外部噪音源的敞開程度；以及(3)在所述屏蔽和放大器的每個(gè)輸入之間耦合的電容器，此電容器不耦合到電路的接地層，選擇電容器的值以平衡在每個(gè)輸入和由電路中寄生電容產(chǎn)生的共模電流之間的阻抗。
所述電容器可通過把由導(dǎo)電性材料制成的層設(shè)置得非?？拷銎帘味纬伞４藢油ㄟ^由介電材料制造的另一層來與所述屏蔽電隔離。選擇此層的尺寸和位置以產(chǎn)生已確定的電容值。另外，放大器可與電路中的其它元件電隔離。
所述屏蔽的至少一部分是由導(dǎo)電材料制成的粗網(wǎng)格。而且，所述屏蔽的另一部分可以是由導(dǎo)電材料制成的實(shí)體層。
另一實(shí)施例用于降低外部噪音源對包括放大器的電路的影響，此實(shí)施例包括(1)由導(dǎo)電材料制成的網(wǎng)格層，該層封閉至少一部分電路；(2)另一由導(dǎo)電材料制成的網(wǎng)格層，此另一網(wǎng)格層封閉所述網(wǎng)格層和至少一部分電路；以及(3)由介電材料制成的絕緣層，此層置于所述網(wǎng)格層和所述另一網(wǎng)格層之間并在所述網(wǎng)格層和所述另一網(wǎng)格層之間提供電隔離，從而所述網(wǎng)格層、絕緣層和所述另一網(wǎng)格層的尺寸和形狀將形成平衡每個(gè)網(wǎng)格層對外部噪音源的敞開程度的夾層。
放大器的一個(gè)輸入耦合到所述網(wǎng)格層，并且所述另一網(wǎng)格層耦合到放大器的其它每個(gè)輸入。電路接地層耦合到所述網(wǎng)格層，電容器在所述另一網(wǎng)格層和放大器的每個(gè)輸入之間耦合?？商鎿Q地，放大器的一個(gè)輸入可耦合到所述另一網(wǎng)格層，所述網(wǎng)格層可耦合到放大器的其它每個(gè)輸入。在此種情況下，電路接地層耦合到所述另一網(wǎng)格層，電容器在所述網(wǎng)格層和放大器的每個(gè)輸入之間耦合。另外，放大器可與電路中的其它元件是電絕緣的。還可以預(yù)見，設(shè)置穿過由所述網(wǎng)格層、絕緣層和所述另一網(wǎng)格層形成的夾層的端口，以提供對電路元件的訪問。
本發(fā)明的另一實(shí)施例采用高電壓電路如去纖顫器電路。放大器可用于感測小信號如心電圖信號，直到它決定從去纖維性顫動(dòng)電路向患者輸出波形為止?？梢灶A(yù)見，浪涌保護(hù)器可以與電阻器串聯(lián)耦合或單獨(dú)在外屏蔽和內(nèi)屏蔽之間耦合，內(nèi)屏蔽連接到電路接地層。在去纖顫器輸出的過程中，浪涌保護(hù)器和電阻器可用于鉗位屏蔽上的電壓。選擇電阻器的值以限制流經(jīng)浪涌保護(hù)器的涌入電流的量。在一個(gè)實(shí)施例中，浪涌保護(hù)器可以是“氣隙”器件，其額定值最大為90伏，而電阻器可為4000歐姆。在此實(shí)施例中，外屏蔽可構(gòu)造得能承受比浪涌保護(hù)器額定值如90伏稍高的最大電壓，而不是去纖顫器電路能高達(dá)5000伏的電壓額定值。另外，浪涌保護(hù)器和電阻器還可以在電路接地層和上述任何實(shí)施例中所布置的屏蔽之間串聯(lián)耦合。
還可以預(yù)見，可在最外屏蔽和小信號源之間建立另一連接。此連接為共模電流提供更低的阻抗通路，并因而降低共模向差模轉(zhuǎn)換的可能性。另外，應(yīng)該理解，本發(fā)明可與包括其它電子電路如A/D轉(zhuǎn)換器的其它電路一起使用。
優(yōu)選實(shí)施例詳述本發(fā)明提供一種平衡信號源的信號導(dǎo)線中的共模電流的阻抗方法。通過設(shè)置環(huán)繞電子電路的內(nèi)、外屏蔽并增加在外屏蔽和電路中那些不用于基準(zhǔn)的信號導(dǎo)線之間的阻抗，有可能對所有信號導(dǎo)線平衡共模電流的阻抗。共模電流的此種平衡阻抗在所有信號導(dǎo)線中導(dǎo)致平衡的共模電流，這本身又在電子電路的輸入中不引起共模信號向差模信號的轉(zhuǎn)換。這已經(jīng)具有了提高放大電路的共模信號抑制比(CMRR)的效果，但不必依賴放大器或相關(guān)電路的任何特性就可實(shí)現(xiàn)此效果。
以下按照實(shí)體屏蔽和格柵式屏蔽描述本發(fā)明。實(shí)體屏蔽是由連續(xù)的導(dǎo)電材料組成，在此導(dǎo)電材料中，如在輸入線進(jìn)入屏蔽處，具有最小量的間斷或空洞。格柵式屏蔽實(shí)際上是在導(dǎo)電層中具有大間斷或空洞的實(shí)體屏蔽。其效果是電場能“穿透”格柵式屏蔽但不能穿透實(shí)體屏蔽。實(shí)體屏蔽或格柵式屏蔽都可被一般由織網(wǎng)式導(dǎo)電元件組成的網(wǎng)格式屏蔽替代。如果編織非常緊密(即在編織中有非常小的空洞或沒有空洞)，那么網(wǎng)格式屏蔽就象實(shí)體屏蔽一樣工作。如果編織非常松散(即在編織中有大量的空洞)，那么網(wǎng)格式屏蔽就象格柵式屏蔽一樣工作。使用網(wǎng)格式屏蔽在下列描述中是可選的，但應(yīng)理解必須使用正確類型的網(wǎng)格材料來替代實(shí)體屏蔽或格柵式屏蔽。
本發(fā)明要求被屏蔽的電路與地面接地是隔離的?？梢圆扇煞N實(shí)施方式隔離包括被屏蔽的電路的整個(gè)器件；或在不與地面接地隔離的電路和被屏蔽的電路之間使用隔離壁壘。第二種實(shí)施方式需要被隔離的電源和數(shù)據(jù)傳送電路。本發(fā)明可采用任一種實(shí)施方式。
圖2A和2B所述實(shí)施例的工作原理是為在屏蔽與接地層或與內(nèi)部屏蔽之間形成的寄生電容匹配離散電容器。在圖2A中，概圖34設(shè)置有封閉“內(nèi)”實(shí)體屏蔽46A的實(shí)體“外”屏蔽42，“內(nèi)”實(shí)體屏蔽46A本身又封閉放大器26。噪音源18的一端耦合到表示地面接地和噪音源之間寄生電容的電容器15。噪音源18的另一端在端點(diǎn)A并聯(lián)耦合到電阻性導(dǎo)線(由電阻器22表示)的一端和另一電阻性導(dǎo)線(由電阻器24表示)的一端。電阻器22的另一端耦合到放大器26的輸入，而電阻器24的另一端耦合到放大器26的基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)也是電路接地的。另外，由插入在電阻器22和24之間的小信號源(未示出)提供用于放大的小信號。
由導(dǎo)電材料制成的實(shí)體外屏蔽42封閉實(shí)體內(nèi)屏蔽46A和放大器26。電容器36A耦合在實(shí)體內(nèi)屏蔽46A和實(shí)體外屏蔽42之間并表示內(nèi)屏蔽-外屏蔽間的寄生電容。電容器38A耦合在實(shí)體外屏蔽42和地面接地之間并表示實(shí)體外屏蔽-地面接地間的寄生電容。離散電容器40A連接在實(shí)體外屏蔽42(在端點(diǎn)B)和放大器26的輸入(端點(diǎn)C)之間。選擇電容器40A的值(法拉)以匹配因內(nèi)屏蔽46A和外屏蔽42靠近而形成的寄生電容，此寄生電容用電容器36A表示，從而在放大器26的所有輸入(包括基準(zhǔn)輸入)中出現(xiàn)共模信號的平衡阻抗。以這樣的方式，本發(fā)明在放大器26的輸入和任何共模電流回路之間提供相對平衡的阻抗。而且，電容器40A的值額定為在所有條件下施加到電路的最大電壓，例如，切換成本發(fā)明電路的高電壓電路要求電容器40A的額定值為高達(dá)5000伏的電壓。盡管未示出，但應(yīng)該理解在內(nèi)屏蔽46A中的放大器電路26可由其它的電子電路取代，例如，A/D轉(zhuǎn)換器可用于本發(fā)明以降低外部噪音源對采樣輸入信號的影響。
雖然沒有示出，但可以預(yù)見，可在外屏蔽42和內(nèi)屏蔽46A之間耦合匹配電阻器，取代使用匹配電容器40A來補(bǔ)償不平衡的寄生電容。在另一實(shí)施例中，匹配電阻器(未示出)可以與在外屏蔽42和內(nèi)屏蔽46A之間的匹配電容器40A串聯(lián)在一起。在此種情況下，如果匹配電容器40A沒有在封閉位置，那么盡管與匹配電容器相比，匹配電阻器實(shí)現(xiàn)的性能有所降低，但匹配電阻器會繼續(xù)平衡共模信號的阻抗。
可以預(yù)見，本發(fā)明可以使用高電壓電路如去纖顫器電路。以虛線示出的可選去纖顫器被封閉在實(shí)體內(nèi)屏蔽46A中，并包括耦合在電路接地和電感39之間的高電壓放電電容器37。以虛線示出的開關(guān)41用于可選地把電容器37和電感39與連接到電阻器22的輸入連接起來，以實(shí)現(xiàn)去纖維性顫動(dòng)目的。以這樣的方式，放大器26可感測端點(diǎn)A的小信號如心電圖信號，直到它決定從去纖維性顫動(dòng)電路經(jīng)電阻性導(dǎo)線(電阻器22和24)輸送波形給患者為止。電阻器22和24表示存在于患者中的源電阻，并因此是患者的部分電阻或至少是患者和一對經(jīng)電阻性導(dǎo)線耦合到患者的電極的組合電阻。
可選地，浪涌保護(hù)器45(以虛線型示出)和電阻器44一起(以虛線型示出)或者浪涌保護(hù)器45單獨(dú)串聯(lián)耦合在外屏蔽42和內(nèi)屏蔽46A之間，并當(dāng)屏蔽不能與電路中存在的電平電隔離時(shí)連接到電路接地。浪涌保護(hù)器45和電阻器44對電路中的CMRR或任何電容都不產(chǎn)生影響。相反，當(dāng)有浪涌電壓時(shí)它們才在電路中起作用。例如，當(dāng)本發(fā)明用于諸如去纖顫器的器件時(shí)，屏蔽可被加載高達(dá)5000伏或更高的高電壓。使用浪涌保護(hù)器45和電阻器44可在去纖顫器輸送的過程中把屏蔽上的電壓鉗位在100伏數(shù)量級的程度上。選擇電阻器44的值(歐姆)以限制流經(jīng)浪涌保護(hù)器的涌入電流的量。在一個(gè)實(shí)施例中，浪涌保護(hù)器45可以為“氣隙”器件，其額定值為最大90伏電壓，而電阻器44的值可以為4000歐姆。在此實(shí)施例中，實(shí)體外屏蔽42只需構(gòu)造得承受稍微大于浪涌保護(hù)器45額定值的最大電壓如90伏，而不是高電壓電路高達(dá)5000伏的電壓額定值。另外，盡管未在以下討論的附圖中示出，電阻器44和浪涌保護(hù)器45還可串聯(lián)耦合在電路接地和置于下述任何配置中的(實(shí)體或格柵式)屏蔽之間。
在另一實(shí)施例中，還可在實(shí)體外屏蔽42和端點(diǎn)A之間通過串聯(lián)電阻器23(以短劃線表示)建立另一連接。此連接為共模噪音電流提供更低的阻抗通路，因?yàn)榇穗娏鞑槐亓鹘?jīng)電容器36A和40A。這使共模噪音電流從電阻器22和24有效地分流，從而在這些電阻器兩端產(chǎn)生更小的電壓降并因而降低共模向差模轉(zhuǎn)換的可能性。
另外，例如通過使用屏蔽電纜，可屏蔽在信號源和電子電路之間的連接介質(zhì)。在此情況下，對每個(gè)來自信號源的電纜的屏蔽應(yīng)該連接到外屏蔽。
現(xiàn)在來看圖2B，概圖48示出封閉基本上與圖2A所示電路可比的放大電路的實(shí)體屏蔽。不同地是在此情況下，內(nèi)部實(shí)體屏蔽46B被設(shè)想成接地層，因而不完全封閉放大器26。離散電容器40B耦合在外屏蔽42和放大器26的非基準(zhǔn)輸入之間。選擇電容器40B的值(法拉)以匹配因內(nèi)屏蔽46B和外屏蔽42靠近而形成的寄生電容，此寄生電容用電容器36B表示，從而在放大器26的所有輸入(包括基準(zhǔn)輸入)中出現(xiàn)對于共模信號的平衡阻抗。以這樣的方式，本發(fā)明在放大器26的輸入和任何共模電流回路之間提供相對平衡的阻抗。
圖3描述放大器電路66中的離散元件和寄生電容，電路66采用與電子電路如去纖顫器一起使用的非實(shí)體即格柵式屏蔽。可在任何點(diǎn)把共模噪音引入到回路中；兩個(gè)共模源來自連接到電子電路的操作者和/或患者。操作者噪音源72的一端通過寄生電容74耦合到地面接地，而操作者噪音源的另一端平行耦合到電容器68(操作者-屏蔽間寄生電容)的一端和電容器70(操作者-電路接地間寄生電容)的一端。電容器68的另一端在端點(diǎn)E耦合到非實(shí)體屏蔽，而電容器70的另一端在端點(diǎn)F耦合到電路接地。在操作者噪音源72、電容器68、電容器70、非實(shí)體屏蔽和電路接地之間的連接用虛線繪出，表示只有當(dāng)操作者使用(靠近或接觸)與本電路相關(guān)的器件時(shí)這些元件才存在。
電容器38(屏蔽-地面接地間寄生電容)的一端耦合到地面接地而另一端在端點(diǎn)E耦合到非實(shí)體屏蔽。電容器36(屏蔽-電路接地層間寄生電容)的一端耦合到端點(diǎn)E(非實(shí)體屏蔽)而另一端在端點(diǎn)F耦合到電路接地。離散(屏蔽-放大器間)電容器41的一端耦合到端點(diǎn)E(屏蔽)而另一端耦合到放大器20的非基準(zhǔn)輸入及電阻器22的一端。電阻器22的另一端耦合到電阻器24的一端及患者噪音源76的一端。電阻器24的另一端在端點(diǎn)F耦合到電路接地。而且，患者噪音源76的另一端耦合到電容器78(患者-地面間寄生電容)的一端。電容器78的另一端耦合到地面接地。
另外，電容器64(電路接地層-地面接地間寄生電容)的一端耦合到端點(diǎn)F(電路接地)而另一端耦合到地面接地。
對于上述去纖顫器，使用非實(shí)體屏蔽引起幾個(gè)不同于使用實(shí)體(完全)屏蔽的考慮事項(xiàng)。通過忽略操作者(操作者噪音源72與電容器68、70和74)的影響，從患者噪音源76流經(jīng)電阻器22和24的電流必須對于這兩個(gè)電阻器是平衡的。這意味著在電阻器22和24的另一端上由患者噪音源76對地的阻抗必須相同。為了不使用離散電容器41來平衡此阻抗，電容器38(屏蔽-地面接地間寄生電容)的值必須等于電容器64(電路接地-地面接地間寄生電容)的值。在難以匹配電容器38和64的場合里，可增加與電容器38串聯(lián)的離散電容器41，以使電容器38和41的串聯(lián)組合等于電容器64的值。
其次，當(dāng)考慮操作者(操作者噪音源72與電容器68和79)的影響時(shí)，電容器68的值與電容器38的值的比率必須等于電容器70的值與電容器64的值的比率。通過使這些比率相等，操作者噪音源72在放大器輸入處產(chǎn)生的電壓將是相同的。由于分立的屏蔽-放大器間電容器41的值選擇得比其它寄生電容器的更大，因此，在分立電容器41兩端具有相對較小的電壓降，并且這些比率的平衡在放大器20的輸入處導(dǎo)致相對平衡的電壓。有兩個(gè)分壓器，在“H橋”電路的每側(cè)各一個(gè)，同時(shí)在每個(gè)支線中的阻抗不必相等，使從頂部到底部的比率相等來平衡該橋。而且，由于屏蔽-電路接地間寄生電容(電容器36)在非實(shí)體屏蔽實(shí)施例中不是很大，因此不選擇離散的屏蔽-放大器間電容器41來匹配電容器36的值。
圖4A和4B示出工作方式不同于圖2A和2B實(shí)施例的格柵式屏蔽實(shí)施例。在圖4A中，概圖50示出封閉“內(nèi)”實(shí)體屏蔽58A的格柵式“外”屏蔽54，屏蔽58A本身又封閉放大器20。噪音源18的一端被電容器15(噪音源-地面接地間寄生電容)耦合。噪音源的另一端在端點(diǎn)A平行耦合到電阻性導(dǎo)線(由電阻器22表示)的一端和另一電阻性導(dǎo)線(由電阻器24表示)的一端。電阻器22的另一端耦合到放大器20的非基準(zhǔn)輸入而電阻器24的另一端耦合到同時(shí)也是放大器基準(zhǔn)輸入的電路接地。另外，小信號源16在端點(diǎn)A(未示出)串聯(lián)耦合在電阻器22和24的端部之間，并且此信號源提供用于放大的小信號。
由導(dǎo)電材料制成的格柵式屏蔽54封閉實(shí)體內(nèi)屏蔽58A，屏蔽58A本身又封閉放大器20。電容器36C(外格柵式屏蔽-實(shí)體內(nèi)屏蔽間寄生電容)在實(shí)體內(nèi)屏蔽58A和外格柵式屏蔽54之間耦合。電容器38B(格柵式屏蔽-地面接地間寄生電容)在格柵式屏蔽和地面接地之間耦合。而且，電容器52A(實(shí)體內(nèi)屏蔽-地面接地間寄生電容)耦合在實(shí)體內(nèi)屏蔽和地面接地之間。
離散電容器41A連接在格柵式屏蔽54和放大器20的非基準(zhǔn)輸入之間。選擇并定位格柵式屏蔽，如圖3所述那樣平衡總電容比。因而，在放大器的輸入和任何共模電流回路之間形成相對平衡的阻抗。
在格柵式屏蔽54中間隔的細(xì)度優(yōu)選選擇得小于噪音源的施加電場的相對“觸點(diǎn)”，如用戶的手指。以這樣的方式，因手指相對于格柵式屏蔽靠近而產(chǎn)生的寄生電容被在手指和包括電路接地層的放大電路元件之間產(chǎn)生的寄生電容平衡。設(shè)定格柵式屏蔽的間隔的尺寸使得環(huán)繞手指的電場作用到格柵式屏蔽的多個(gè)間隔上。
而且，形成格柵式屏蔽54的線的厚度優(yōu)選選擇得使放大電路元件被環(huán)繞用戶手指的電場“識別”。例如，布置得遠(yuǎn)離放大電路的格柵式屏蔽可使用比靠近電路的格柵式屏蔽更細(xì)的線。以這樣的方式，由更細(xì)的線在格柵式屏蔽中產(chǎn)生的更大的“空洞”會降低在手指和外部格柵之間以及手指和放大電路元件之間產(chǎn)生的寄生電容中的失衡。而且，可選擇格柵式屏蔽的粗度以容納電池的定位，只要總電容比保持平衡就行。
在圖4B中，概圖56示出一對封閉基本上與圖4A所示電路可比的放大電路的屏蔽。不同地是在此種情況下，內(nèi)部實(shí)體屏蔽58可設(shè)想成接地層，并因而不完全封閉放大器26。離散電容器41A在格柵式屏蔽54和放大器20的非基準(zhǔn)輸入之間耦合。選擇并定位格柵式屏蔽，使得到如上述那樣平衡總電容比。因而，在放大器的輸入和任何共模電流回路之間形成相對平衡的阻抗。
圖5A-5E示出本發(fā)明使用高電壓去纖維性顫動(dòng)器件的不同配置。在圖5A中，示出去纖顫器100A的側(cè)面剖視圖，去纖顫器100A包括一般由非導(dǎo)電材料制成的殼體112。電路板104置于殼體112內(nèi)?？刂破?10、一對電極102A和102B、電源106和放電電容器108耦合到電路板104?！巴狻逼帘?34封閉去纖顫器100A的殼體112外側(cè)以及置于殼體內(nèi)的元件即電路板104、電源106和電容器108。電容性元件136通過在殼體112內(nèi)側(cè)上放置導(dǎo)電平板而形成并把其耦合到電路板104上的放大電路的非基準(zhǔn)輸入。選擇電容性元件的位置和尺寸以匹配實(shí)體外屏蔽和實(shí)體內(nèi)屏蔽之間或可選的和電路接地層之間的寄生電容。
在圖5B中，示出去纖顫器100B的側(cè)面剖視圖，去纖顫器100B包括一般由非導(dǎo)電材料制成的殼體112。電路板104置于殼體112內(nèi)?？刂破?10、一對電極102A和102B、電源106和放電電容器108耦合到電路板104。電容器109B在屏蔽114和電路板104上放大電路的非基準(zhǔn)輸入之間耦合。對于實(shí)體屏蔽，選擇電容器109B的尺寸以匹配實(shí)體屏蔽和電路接地層之間的寄生電容。然而，對于非實(shí)體屏蔽，電容器109B的值選擇得明顯大于電路中的寄生電容器?？蛇x地，浪涌保護(hù)器45和電阻器44(以虛線示出)可連接在屏蔽114和電路接地之間以提供與上述基本相同的作用。而且，導(dǎo)線116(以虛線示出)可耦合在U型導(dǎo)電屏蔽114的開口端之間。
圖5C為示出去纖顫器100C的側(cè)面剖視圖，去纖顫器100C基本上與圖5B的相似，不同地是，兩個(gè)基本上為平板狀的導(dǎo)電屏蔽分別布置在殼體112的頂部或底部。頂部屏蔽118置于殼體112與電路板104的頂部之間。而底部屏蔽120置于殼體112與電源106、放電電容器108和電路板104的底部之間。導(dǎo)線122和124中的至少一個(gè)在頂部屏蔽118和底部屏蔽120相似布置的端部之間耦合。而且，電容器109C在屏蔽118和電路板104上放大電路的非基準(zhǔn)輸入之間耦合。對于實(shí)體屏蔽，選擇電容器109C的尺寸以匹配屏蔽和電路接地層之間的寄生電容。然而，對于非實(shí)體屏蔽，電容器109C的值選擇得明顯大于電路中的寄生電容器。
圖5D為示出去纖顫器100D的側(cè)面剖視圖，去纖顫器100D基本上與圖5B的相似，不同地是，具有大致平面狀表面的導(dǎo)電屏蔽126形成為U型，此U型屏蔽封閉電路板104和放電電容器108但不封閉電源106的底部。導(dǎo)線128可選地連接在U型導(dǎo)電屏蔽126的開口端之間。而且，電容器109D在屏蔽126和電路板104上放大電路的非基準(zhǔn)輸入之間耦合。在此實(shí)施例中，導(dǎo)電屏蔽126可以是非實(shí)體(格柵式)屏蔽，選擇并定位此屏蔽且以與圖3和4A/B中所述的方式進(jìn)行工作。對于非實(shí)體屏蔽，電容器109D的值選擇得明顯大于電路中的寄生電容器。
圖5E為示出基本上與圖5B類似的去纖顫器100E的側(cè)面剖視圖。內(nèi)部導(dǎo)電屏蔽132封閉電路板104。外部導(dǎo)電屏蔽130封閉電源106、放電電容器108和容納電路板104的內(nèi)部屏蔽132。而且，電容器109E在外部屏蔽134和電路板104上放大電路的非基準(zhǔn)輸入之間耦合。當(dāng)外部屏蔽130是實(shí)體屏蔽時(shí)，選擇電容器109E的尺寸以匹配實(shí)體外部屏蔽130和電路接地層之間的寄生電容。然而，當(dāng)外部屏蔽130是非實(shí)體(格柵式)屏蔽時(shí)，電容器109E的值選擇得明顯大于電路中的寄生電容器。而且，選擇并定位非實(shí)體屏蔽130且以上述方式進(jìn)行工作。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，通過用匹配的電容器和至少一個(gè)導(dǎo)電屏蔽平衡寄生電容而真正消除放大器單端輸入的共模噪音。盡管本發(fā)明上述一些實(shí)施例采用用于去纖顫器的放大器電路，但可以預(yù)見，本發(fā)明也可采用放大小信號的任何類型的電子器件，如測量小信號的電子儀表以及在電信和音頻放大工業(yè)中的電子設(shè)備。還可以預(yù)見，本發(fā)明可以改進(jìn)現(xiàn)有的放大電路以提供更高的CMRR。
盡管已示出并描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)該理解，只要不偏離本發(fā)明的精神和范圍，可對本發(fā)明作各種改變。
權(quán)利要求
1.一種通過控制對于共模電流的阻抗來控制隔離單端電子電路的共模阻抗失衡的裝置，此共模電流出現(xiàn)在電路中每個(gè)信號通路和所有共模電流回路之間，其中，所述裝置包括(a)封閉至少一部分電路的實(shí)體內(nèi)屏蔽，此實(shí)體內(nèi)屏蔽耦合到電路接地，此電路接地為電路中每個(gè)信號通路的基準(zhǔn)；(b)封閉至少一部分實(shí)體內(nèi)屏蔽的實(shí)體外屏蔽，此實(shí)體內(nèi)屏蔽封閉所述電路；以及(c)在實(shí)體外屏蔽和電路的非基準(zhǔn)輸入之間耦合的電容器，此電容器的值根據(jù)在實(shí)體內(nèi)屏蔽和實(shí)體外屏蔽之間形成的另一寄生電容器的值來決定，因此提供每個(gè)信號通路對所有共模電流回路的所需的阻抗比。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中進(jìn)一步包括電子器件，所述電路是此電子器件的至少一個(gè)元件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中進(jìn)一步包括封閉所述電子器件的外殼。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，至少一部分的所述實(shí)體外屏蔽布置在所述外殼內(nèi)部。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，至少一部分的所述實(shí)體外屏蔽布置在所述外殼外部。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述實(shí)體內(nèi)屏蔽耦合到電路的接地層。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電容器是離散元件。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中進(jìn)一步包括基本等于分立電容器的值與每個(gè)寄生電容的值之比的比率，因此對于共模電流出現(xiàn)平衡的阻抗。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電容器由置于所述實(shí)體外屏蔽和所述實(shí)體內(nèi)屏蔽之間的另一實(shí)體屏蔽形成，所述另一實(shí)體屏蔽的尺寸相對而言小于所述實(shí)體內(nèi)屏蔽的尺寸或所述實(shí)體外屏蔽的尺寸。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中進(jìn)一步包括電路中的多個(gè)非基準(zhǔn)信號通路、以及在所述實(shí)體外屏蔽和每個(gè)非基準(zhǔn)信號通路之間耦合的獨(dú)立電容器。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電子電路是輸入電路。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電子電路是輸出電路。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述實(shí)體外屏蔽由網(wǎng)格材料形成。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述實(shí)體外屏蔽由不間斷的材料形成。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述實(shí)體內(nèi)屏蔽由網(wǎng)格材料形成。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述實(shí)體內(nèi)屏蔽由不間斷的材料形成。
17.一種通過控制對于共模電流的阻抗來控制隔離單端電子電路的共模阻抗失衡的裝置，此共模電流出現(xiàn)在電路中每個(gè)信號通路和所有共模電流回路之間，其中，所述裝置包括(a)封閉至少一部分電路的實(shí)體內(nèi)屏蔽，此實(shí)體內(nèi)屏蔽連接到電路接地，此電路接地為電路中每個(gè)信號通路的基準(zhǔn)；(b)封閉至少一部分實(shí)體內(nèi)屏蔽的格柵式外屏蔽，此格柵式外屏蔽連接到電路中的非基準(zhǔn)信號通路，選擇此格柵式外屏蔽的尺寸和位置以平衡實(shí)體內(nèi)屏蔽和格柵式外屏蔽對外部噪音源的敞開程度。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中進(jìn)一步包括在所述格柵式外屏蔽和電路中非基準(zhǔn)信號通路之間耦合的電容器，選擇此電容器的值以控制相對于電路中基準(zhǔn)信號通路共模阻抗的非基準(zhǔn)信號通路共模阻抗。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，選擇所述電容器的值，使得為非基準(zhǔn)信號通路和基準(zhǔn)信號通路提供相等的共模阻抗。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述電容器是離散元件。
21.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述電容器由置于所述格柵式外屏蔽和所述實(shí)體內(nèi)屏蔽之間的另一實(shí)體屏蔽形成，所述另一實(shí)體屏蔽的尺寸相對而言小于所述實(shí)體內(nèi)屏蔽的尺寸或所述格柵式外屏蔽的尺寸。
22.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中進(jìn)一步包括電子器件，所述電路是此電子器件的至少一個(gè)元件。
23.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中進(jìn)一步包括耦合到所述實(shí)體內(nèi)屏蔽的接地層。
24.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述電路是輸入電路。
25.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述電路是輸出電路。
26.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述格柵式外屏蔽由粗網(wǎng)格材料形成。
全文摘要
用于為隔離單端電路的所有共模通路控制共模阻抗失衡的方法和裝置,由此允許平衡共模阻抗以降低共模效果,同時(shí)保留單端放大器諸如電路簡單性的優(yōu)點(diǎn)以及連接到電路接地的基準(zhǔn)輸入。在一個(gè)實(shí)施例中,兩個(gè)實(shí)體屏蔽盡可能完全地封閉電路,內(nèi)屏蔽連接到電路接地,該電路接地同時(shí)也是電路中所有其它輸入的基準(zhǔn)輸入。離散電容器連接在外屏蔽和每個(gè)非基準(zhǔn)輸入之間。當(dāng)所述屏蔽是完全的,即為實(shí)體時(shí)或者除了最小的空洞或細(xì)網(wǎng)格以外幾乎為實(shí)體時(shí),選擇離散電容器的值以匹配在外屏蔽和內(nèi)屏蔽之間形成的寄生電容。在另一實(shí)施例中,所述屏蔽是不完全的,即為僅封閉一部分電路的格柵、粗網(wǎng)格或?qū)嶓w屏蔽;此屏蔽連接到電路的非基準(zhǔn)輸入。在這種情況下,匹配不完全外屏蔽和電子電路接地層(或內(nèi)屏蔽)對外部噪音源的敞開程度以平衡它們的寄生電容。而且,在不完全屏蔽的情況下,分立電容器連接在外屏蔽和電路的非基準(zhǔn)輸入之間,以便能平衡對于共模電流的阻抗。
文檔編號H03F1/56GK1349680SQ00807152
公開日2002年5月15日 申請日期2000年5月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月4日
發(fā)明者丹尼爾·揚(yáng)科維齊, 道格拉斯·K·梅德馬, 蘭德爾·J·馬凱爾 申請人:梅德特里奧尼克菲塞奧-康特爾制造公司