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一种例如可在运动检测器系统中使用的用于压电换能器(22，28，34，40)的跨导监控和放大电路，包括：FET(Q1)，压电换能器(22，28，34，40)(并且，因此信号电压基准)，其在FET(Q1)的栅极和源极之间浮动，与连接到电路的公共接地相反。这允许产生更大的检测器信号并伴随使用相对便宜的FET(Q1)，而不是如传统跨导电路中必须使用的相对更昂贵的高阻抗运算放大器。FET(Q1)和换能器(22，28，34，40)可被容纳在单个四引脚的包装(54)中。

1.  一种压电检测器，包括：
压电换能器(22，28，34，40)；和
与该换能器(22，28，34，40)电连接的跨导电路(24，30，36，42)，该跨导电路(24，30，36，42)定义公共接地和没有直接连接到公共接地的信号电压基准。

2.  权利要求1的检测器，包括连接到场效应晶体管(FET)(Q1)的栅极的跨导电阻器(R2，R3，R6)，跨导电路(24，30，36，42)不具有高阻抗运算放大器。

3.  权利要求2的检测器，其中跨导电阻器(R3，R6)通过运算放大器(U1)连接到栅极。

4.  权利要求3的检测器，其中运算放大器(U1)的倒相输入连接到FET(Q1)的源极。

5.  权利要求4的检测器，其中运算放大器(U1)的非倒相输入连接到信号电压基准。

6.  权利要求2的检测器，包括连接到FET(Q1)源极的输出电阻器(R1)。

7.  权利要求6的检测器，其中输出电阻器(R1)通过双极结晶体管(BJT)(Q2)连接到FET(Q1)。

8.  权利要求7的检测器，其中BJT(Q2)的基极可连接到FET(Q1)的源极。

9.  权利要求2的检测器，包括将FET(Q1)的漏极连接到FET(Q1)源极的短路电容器(C_s)。

10.  权利要求2的检测器，包括连接在FET(Q1)的栅极和FET(Q1)的源极之间的输出分压器(R3/R4/C3和R3/R5/C3)。

11.  在一个跨导检测器电路中，包括压电换能器(22，28，34，40)、连接到用于放大其信号的换能器(22，28，34，40)的场效应晶体管(FET)(Q1)、电路公共接地和信号电压基准节点，该节点处于不同于接地的AC电位。

12.  权利要求11的跨导检测器电路，包括连接到FET(Q1)栅极的跨导电阻器(R2，R3，R6)，跨导检测器电路不具有高阻抗运算放大器。

13.  一种电路(24，30，36，42)，包括：
至少一个压电换能器(22，28，34，40)；
至少一个跨导放大器电路(24，30，36，42)，其沿着电通路接收来自换能器(22，28，34，40)的信号，并处理该信号以产生输出，该跨导放大器电路(24，30，36，42)不包括高阻抗运算放大器。

14.  一种压电检测器，包括：
压电换能器；和
电连接到该换能器的跨导电路，所述压电换能器连接到跨导电路的场效应晶体管(FET)(Q1)的栅极，该跨导电路不具有运算放大器，该跨导电路还包括连接到FET(Q1)栅极的跨导电阻器(R6)，该电路包括除了该FET(Q1)之外的第一和第二晶体管(Q3，Q4)。

15.  权利要求14的检测器，包括连接到FET(Q1)源极的反馈电路部分(50，Q3，Q4，R3)。

16.  权利要求15的检测器，其中反馈电路部分包括第一晶体管(Q3)和第二晶体管(Q4)，并且第二晶体管(Q4)电连接到跨导电阻器(R6)和第一晶体管(Q3)。

17.  权利要求14的检测器，包括物理上基本只容纳压电换能器、FET(Q1)、和跨导电阻器(R6)的换能器包装(54)，该换能器包装包括用于与电源连接而连接到FET(Q1)漏极的第一外部可访问电连接器(56)、连接到FET(Q1)源极的第二外部可访问电连接器(58)、连接到压电换能器的第三外部可访问电连接器(62)、和连接到跨导电阻器(R6)的第四外部可访问电连接器(60)。

18.  一种压电检测器包装(54)，包括：
外壳(55)；
在外壳中的压电换能器(22，28，34，40)；
在外壳中并定义与换能器(22，28，34，40)和跨导电阻器(R2，R3，R6)连接的栅极的场效应晶体管(FET)(Q1)，FET(Q1)还定义源极和漏极；
在外壳上并且在外壳内分别电连接到漏极、源极、跨导电阻器(R2，R3，R6)、和压电换能器(22，28，34，40)的第一到第四电连接器(56，58，60，62)，所述连接器机械上可与外壳(55)外的电路元件耦合。

用于压电换能器的跨导电路
技术领域
本发明一般地涉及一种压电换能器系统。
背景技术
压电传感器系统在广泛的应用中使用。仅作为一个非限制的例子，一些安全系统使用无源红外(PIR)运动传感器来检测在监控区中的移动，所述传感器检测由于对象(例如人)和其背景环境之间的温差而引起的远红外辐射(8-14微米波长)的变化。在检测时，运动传感器通常发送指示给主机系统，主机系统可转而激活侵入“警报”、改变室内照明、打开门、或执行一些其它功能。有利地，这种传感器简单且相对便宜。
PIR传感器的检测器可包括热电检测器，其测量远红外辐射的变化。这种检测器通过“压电效应”来工作，所述压电效应在机械应变存在的情况下引起电荷迁移。热电检测器采用电容器的形式——两个由电介质隔开的导电板。电介质可以是压电陶瓷。当远红外辐射引起陶瓷温度变化(并因而有一些机械应变)时，电荷从一个板迁移到另一个板。如果没有外部电路(或者非常高阻抗的电路)连接到检测器(“电压输出模式”)，则可测量的电压表现为“电容器”电荷。如果相对低阻抗的外部电路连接在所述板之间(“电流输出模式”)，则电流流动。
电流输出模式下的压电检测器被放置在跨导放大器电路中，其中，替代允许换能器的板子之间的电压基本上变化，电荷通过高阻抗运算放大器的反馈电阻器传导以创建建立电路输出信号的电压。所谓“高”阻抗是指至少10⁷欧姆的阻抗。
本发明涉及提供跨导电路的便宜版本。如这里所理解的，因为必须测量少量由所述压电检测器产生的电荷，所以之前的压电检测器的跨导电路要求相对昂贵的高阻抗运算放大器。如这里所进一步理解的，可利用这里的发明概念来提供较便宜的电路。
发明内容
公开了跨导电路的若干版本，例如可在红外运动传感器中实现的压电远红外辐射检测器。
由此，压电检测器包括压电换能器和与该换能器电连接的跨导电路。跨导电路定义公共接地和没有直接连接到公共接地的信号电压基准。
在一些实施例中，跨导电阻器可连接到场效应晶体管(FET)的栅极，并且跨导电路不具有高阻抗运算放大器。输出电阻器可潜在地通过双极结晶体管(BJT)连接到FET的源极，双极结晶体管的基极可连接到FET的源极。如果需要，以传感器信号工作频率提供近似短路电路的“短路”电容器可将FET的漏极连接到FET的源极，并且，交流电(AC)耦合的输出反馈分压器可连接在FET的源极和与FET的栅极连接的跨导电阻器之间。
在特定的非限制实施例中，跨导电阻器通过标准输入阻抗运算放大器连接到FET的栅极。运算放大器的倒相输入可连接到FET的源极，并且运算放大器的非倒相输入可连接到信号电压基准。并且，AC耦合的输出反馈分压器可连接在运算放大器的输出和与FET的栅极连接的跨导电阻器之间。
在另一方面，在包括压电换能器的跨导检测器电路中，场效应晶体管(FET)连接到用于放大其信号的换能器。该电路还具有电路公共接地和信号电压基准节点，该节点处于不同于接地的AC电位。
在又另一个方面，电路包括压电换能器和跨导放大器电路，后者沿着电通路接收来自换能器的信号并处理该信号以产生输出。跨导放大器电路不包括高阻抗运算放大器。
在一个电路实施方式中，压电检测器包括压电换能器和电连接到该换能器的跨导电路。如前所述，跨导电路包括连接到场效应晶体管(FET)的栅极的压电换能器，并且跨导电路不具有运算放大器。但是，跨导电路包括连接到FET栅极的跨导电阻器和除了该FET之外的第一和第二晶体管。在该最后电路的一个特定实施方式中，反馈电路部分包括第一晶体管和第二晶体管，并且第二晶体管电连接到跨导电阻器和第一晶体管。
在另一方面，压电检测器包装包括容纳了三个部件，即压电换能器、定义栅极的场效应晶体管(FET)、和与栅极连接的跨导电阻器的外壳。第一到第四电连接器位于外壳上并且在外壳内分别电连接到FET源极、FET漏极、压电换能器、和跨导电阻器。所述连接器机械上可与外壳外的电路元件耦合。
在特定实施例中，反馈电路部分线路可连接到第一连接器，以便连接到由FET源极驱动的反馈电路部分。并且，电源线路可连接到第二连接器，以便将电源连接到FET的漏极。此外，电路线路可连接到第三连接器，以便将至少一部分的跨导电路连接到换能器。此外，反馈线路可连接到第四连接器，以便将至少一部分电路连接到跨导电阻器。
在另一个方面，用于可操作地将与场效应晶体管(FET)的栅极耦合的压电换能器与跨导电路接合的方法，包括在单个外壳内提供压电换能器、FET、和跨导电阻器。该方法还包括在外壳上提供四个连接器，并且将这些连接器连接到跨导电路的一些部分。
附图说明
参考附图，可最好地理解本发明有关其结构和操作的细节，在附图中，类似的引用标记表示类似的部分，并且其中：
图1是本系统体系结构的框图；
图2是本跨导电路的第一实施例的示意图；
图3是本跨导电路的第二实施例的示意图；
图4是本跨导电路的第三实施例的示意图；
图5是本跨导电路的第四实施例的示意图；
图6是图2中所示的第一实施例的修改版本的示意图，其中到换能器的交流(AC)和直流(DC)连接彼此分开以避免如果足够高就可能使电路饱和的DC输出；
图7是图3中所示的第二实施例的修改版本的示意图，其中到换能器的AC和DC连接彼此分开；
图8是图4中所示的第三实施例的修改版本的示意图，其中到换能器的AC和DC连接彼此分开；
图9是图5中所示的第四实施例的修改版本的示意图，其中到换能器的AC和DC连接彼此分开；
图10是本跨导电路的另一个可替换实施例的示意图；和
图11是换能器包装的透视图。
具体实施方式
初始地参考图1，示出实例的非限制性系统，一般地用10来表示，用于检测移动对象12，比如人。系统10包括光学系统14，其可包括适当的反射镜、透镜和其它在本领域中已知用来将对象12的图像聚焦在无源红外(PIR)检测器系统16上的部件。响应于移动对象12，PIR检测器系统16生成可由信号处理电路18进行过滤、放大和数字化的信号，并且处理系统20(比如，计算机或特定用途集成电路)接收该信号并确定是否激活可听见或可看见的警报21或其它输出设备，比如用于门的激活系统，等等。
已经描述了本发明的压电检测器的一个应用后，现在集中到图2-5，它们示出了本发明概念的各种实施方式。如图2中所示，压电换能器22被提供在具有直流(DC)电压源26的跨导电路24中。电路24可被看作为用于压电换能器22的监控电路。并且，电路24阻抗缓冲(impedance-buffer)和放大来自换能器22的信号。
根据本原理，“跨导电路”是一个这样的电路，其中替代允许换能器(例如换能器22)的板子之间的电压基本上变化，电荷通过电阻器传导以创建建立电路输出信号的电压。
压电换能器22可以是任何压电换能器。在一个示例说明中，压电换能器22是通过“压电效应”测量远红外辐射变化的热电检测器，所述压电效应在机械应变存在的情况下引起电荷迁移，所述机械应变可由例如远红外辐射引起的温度变化而诱发。压电换能器22可以采取电容器的形式，即两个由电介质隔开的导电板，电介质可以是压电陶瓷。当压电换能器22的陶瓷经受机械应变时，电荷从一个板迁移到另一个板。
在如图2中所示的电路24中，换能器22连接在结型场效应晶体管(FET)Q1的源极和栅极之间，在非限制性实施例中，该结型场效应晶体管可由型号2N4338的FET实现。电源26连接到所示FET Q1的漏极，所述电源可以是通过一个或多个干电池组建立的五伏特电源。
如图2中所示，通过将FET Q1的源极电流传递经过输出电阻器R1而变化为电压。该电压经由跨导电阻器R2而被连接并引起电流流回FET Q1的栅极，其中电阻器R1、R2连接到接地，当时换能器22在FETQ1的源极和栅极之间“浮动”(即，其信号基准电压没有连接到接地)。
利用上述结构，本领域技术人员将认识到，FET Q1通过变化输出电阻器R1两端的电压来控制经过跨导电阻器R2到FET Q1的栅极的反馈电流，所述电阻器R1两端的电压经由接地节点而在跨导电阻器R2之间施加相同变化的电压。在输出电阻器R1两端测量电路24输出的交流(AC)分量，其可在机械上以足够的精度通过将换能器22的输出电流与跨导电阻器R2的电阻相乘来计算，以反应实际的电路功能。所述输出的直流(DC)分量由FET Q1的栅极-源极工作电压来确定。
换句话说，与传统非跨导电路对比，电路24的信号电压基准节点相对电路的公共接地而浮动，在传统非跨导电路中，信号电压基准节点接地并且FET被用作为以电压输出模式工作的压电检测器的缓冲器。因此，与传统电压输出模式电路比较，跨导电路结构的该组合产生了特性更大的信号电压，而有利地允许使用相对便宜的FETQ1，所述FET Q1与传统电压输出模式电路中使用的类型相同，以替代相对更贵的高阻抗运算放大器。以另一方式看来，与传统电压输出模式电路对比，图2中所示的电路24实质上具有三个功能块，即是，换能器22、FET Q1、和跨导电阻器22，其中后者是反馈元件。
图3-5示出了向图2的电路添加了部件的各种电路，用于增加由电路产生的进一步的信号。如图3中所示，压电换能器28被提供在具有DC电压源32的跨导电路30中。在如图3中所示的电路30中，换能器28连接在结型场效应晶体管(FET)Q1的源极和栅极之间，并因此电路30的信号电压基准相对于电路公共接地而浮动。电源32通过漏极电阻器R_D连接到FET Q1的漏极。
在图3中所示的电路中，除了下面讨论的另外的电路元件之外，不仅提供了FET Q1，还提供了双极结晶体管(BJT)Q2。如果希望，便宜的标准输入阻抗运算放大器可用来代替BJT Q2。“标准输入阻抗”是指不超过10⁷欧姆的阻抗。
在图3中所示的实施例中，BJT Q2的基极连接到换能器28并连接到所示的FET Q1的源极，其中BJT Q2的发射极连接到接地的输出电阻器R1并且BJT Q2的集电极连接到电源32，并且通过漏极电阻器RD与FET Q1的漏极分离。因为由BJT Q2提供的额外增益并且因为其基极连接到FET Q1的源极，由电阻器R3、R4和电容器C 3建立的输出反馈分压器可被添加，以便将在跨导电阻器R2两端产生的基本跨导电压放大例如10倍，并将该电压作为电流通过跨导电阻器R2反馈到FETQ1的S栅极。因此，图3中电路30输出(在输出电阻器R1两端测量)的AC分量可以是图2中所示的电路24输出的十倍，前提是向两个电路换能器提供相同的激励能量。
此外，在图3中所示的电路30中，FET Q1的漏极实质上通过短路电容器C_s被短路(为AC信号)到FET Q1的源极，如前面提到的，FET Q1的源极是信号电压基准节点。FET Q1的漏极实质上短路连接到信号电压基准节点，FET Q1的内部电容不再建立不期望的反馈元件，从而扩展电路30的高频响应。
现在参考图4，压电换能器34被提供在具有DC电压源38的跨导电路36中。在如图4中所示的电路36中，换能器34连接在结型场效应晶体管(FET)Q1的源极和栅极之间，并因此电路36的信号电压基准相对于电路公共接地而浮动。如所示的，电源38连接到FET Q1的漏极。
在图4中所示的实施例中，便宜的标准输入阻抗运算放大器U1具有其与换能器34和FET Q1的源极连接的倒相输入，FET Q1的源极间接连接到接地(即通过电阻器R4)。运算放大器U1的输出通过跨导电阻器R3被反馈到FET Q1的栅极。并且，运算放大器U1的非倒相输入连接到分压器，该分压器由与电源38连接的电阻器R1和接地的电阻器R2构成。
如前述电路那样的情况，从源极电流产生的FET源极电阻器R2两端的电压作为电流被反馈给FET Q1的栅极。反馈路径扩展通过如图4中所示的电路36中的运算放大器U1并通过跨导电阻器R3。跨导电流求和节点位于FET Q1的栅极，其缓冲运算放大器U1的倒相输入。运算放大器U1的非倒相输入是电路36的“浮动”信号电压基准节点。运算放大器U1改变其输出电源以控制经过跨导电阻器R3的反馈电流，其中电路的输出信号是运算放大器U1的输出电压的AC分量，DC分量由FET Q1的栅极-源极工作电压确定。
图4中的电路36为信号电压基准节点提供了实质上恒定的电压(由运算放大器U1在其倒相输入处保持)。由此，相比较放大器输出和作为经过跨导电阻器R3的电流而反馈到FET Q1栅极的反馈电压，FET Q1的漏极-栅极电压实质上是恒定的。因此，不存在因FET Q1的内部漏极-栅极电容的任何影响而引起的高频限制，因此图3中只有晶体管的电路中示出的电阻器-电容器对R_D-C_s在图4的电路36中是不需要的。
图5示出在具有DC电压源44的跨导电路42中的压电换能器40，除了在运算放大器U1的非倒相输入和反馈电阻器R3之间提供电阻器R5和电容器C3、在电阻器R5/电容器C3对的抽头和FET Q1的栅极之间提供跨导电阻R6之外，其实质上在所有方面都与图4中示出的电路36相同。由运算放大器U1提供的充足增益，由电阻器R3和R5以及电容器C3建立的输出分压器可将基本跨导电压放大例如十倍。
图6-9分别对应于图2-5，各自的电路实质上如所示的相同，除了在图6-9中所示的变化之外，其中到换能器的AC和DC连接彼此分开，以避免这种高DC输出使电路进入称为“饱和”的条件，在该条件下，电路DC输出电压应当(从理想计算的立场看)要比电源的阳极端更正或者比电源的阴极端更负。因为这在实际上是不可能的，电路DC输出可能对于电源的阳极端或阴极端而变为“被卡住”，在该情况下，不可能有AC信号，否则会使电路完全不能工作。这种高DC输出可源自由于在一些换能器中存在的并联泄漏电阻所引起的DC放大。当正确工作时，如图6-9中所示的电路正如它们在图2-5中各自的对应部分来工作，因为在本发明中使用的正是AC信号，而不是DC信号。
在图6和8中通过将换能器输出信号的AC分量传递经过AC-通过DC-阻塞的电容器C_AC从这里再到信号处理电路，即图6中的FET Q1和图8中的运算放大器U1，同时将换能器输出信号的DC分量通过DC接地电阻器R_DC而分流到接地，来完成上述的从DC中分离AC。另一方面在图7和9中，认识到AC-通过DC-阻塞的电容器C3已经存在于这些电路中，在这些电路中相应换能器的输出连接到电容器C3和电阻器(图7中R4，图9中R5)之间的线路。
图10示出与图9中所示电路类似的电路，其中类似的引用标记表示类似部分，但是其中运算放大器U1由与NPN晶体管Q4级联的PNP晶体管Q 3替换，以达到较便宜的实现。更具体地，在图10中，跨导电阻R6连接到FET Q1的栅极，其漏极连接到电源线46，并且其源极通过在其中放置了PNP晶体管Q3的输出线48而连接到包括电阻器R1和R2的分压电路，这些电阻通过建立FET Q1的源极电压而为FET Q1的工作提供偏压信号。PNP晶体管Q3缓冲该偏置信号以建立FET Q1的源极偏压。并且如所示的，晶体管Q3将FET漏极-到-源极输出电流传递到NPN晶体管Q4的基极，其中，由于晶体管Q4的增益，产生相称的更大晶体管输出电流(集电极-发射极电流)，其转而通过与电源电压连接的负载电阻被转换回为电压。
如前面那样通过反馈线路50将来自FETQ1源极的反馈信号提供给跨导电阻器R6，并且如上所述，在图10中所示的特定电路中，其是通过PNP晶体管Q3和NPN晶体管Q4以及反馈电阻器R3而提供的。根据相对于图5和9如上所述的原理，压电换能器经由换能器线路52连接到电容器C3(在电路的分压器部分)，其提供到信号电压基准节点的AC连接。
上面所有电路包括并联连接于FET栅极的压电换能器和跨导电阻器，FET的漏极连接到电源并且源极连接到电路的反馈部分。图11示出了为了方便可在单个包装内提供压电换能器、FET和跨导电阻器，在该包装上提供诸如但不限于是引脚的四个连接器，以将换能器、FET源极、FET栅极、和跨导电阻器连接到上述电路。其它连接器结构，例如插座、焊盘、焊接的电线等等可以使用，只要这些连接器可从外壳的外部访问。
由此，图11示出了包装结构，一般地由54表示，其包括空的、平行六面体形的外壳55，该外壳包括四个外部连接器56、58、60、62，比如但不限于是引脚。空外壳55容纳了如上所示任何电路中的所述压电换能器、FET、和跨导电阻器。由此，第一和第二连接器56和58可电连接到外壳55内的FET。更具体地，第一连接器56可连接到FET的漏极，并且利用为说明的如图10中所示的电路，第一连接器56可借助互补形状的连接器在外部连接到线路46，从而将FET漏极连接到电源。另一方面，第二FET连接器58连接外壳55内的FET源极，并且其可接合转而连接到图10中线路48的互补形状的连接器，从而将FET源极连接到所示的电路部分。
第三连接器60可内部地连接到跨导电阻器。第三连接器60可接着在外部与互补形状的连接器接合，从而将图10中的线路50连接到外壳55内的跨导电阻器R6。第四连接器62可连接到包含在包装结构54内侧的压电换能器。第四连接器62可接着连接到线路52，如图10的说明电路中所示，线路52将FET栅极处的压电换能器连接另一个电路结构。优选的是，空外壳包装结构54的三个部件，即压电换能器、FET和跨导电阻器被包装在纯氮气64中。可以理解，如图10中所示的物理连接器布置仅仅是示例的，并且可实现其它连接器布置(例如，在外壳55四侧的每一侧上有一个连接器)。
利用上面四连接器、三部件的包装，与非常高的电阻(比如通常是125G欧姆跨导电阻)相关联的极小电流都包含在外壳55的内侧。电路外部的换能器、FET和跨导电阻器使用比在外壳内侧流过的电流高很多的电流。因此，当制作单个外壳用来包含如图10中所示的整个电路时，这种外壳十分昂贵，而如图11中所示的简单四引脚包装是便宜的，其可制成刚好合适的大小来容纳前述的三个部分。
虽然如这里所示和详细描述的特定的用于压电换能器的跨导电路完全能够获得本发明的上述目的，但可以理解的是，其是本发明目前优选的实施例并因此代表了本发明大致预期的主题，本发明的范围完全涵盖了可变得对于本领域的技术人员明显的其它实施例，并且本发明的范围由此只能由所附权利要求来限定，其中除非明确如此的声明，用单数来引用元素并不意在表示“有且仅有一个”，而是“一个或多个”。此外，对于设备或方法来说不需要解决每个设法由本发明要解决的问题，对于其来说是由本权利要求所涵盖。此外，本公开中没有元素、部件或方法步骤旨在专门用于公众，而与所述元素、部件或方法步骤明确地在权利要求中叙述无关。这里没有权利要求元素依照35U.S.C§112，六款的规定来解释，除非使用短语“用于...的装置”来明确叙述该元素，或在方法权利要求的情况下，元素被叙述为“步骤”而不是“动作”。这里没有明确的定义，权利要求术语都被给予所有普通和通常的意思，这些意思与本说明书和文件历史不矛盾。