基于CTIA的微弱信號(hào)放大電路研究

邢亞第

（中船重工集團(tuán)公司第七二六研究所,上海201108）

1 引言

聲波是目前海洋中唯一能夠遠(yuǎn)距離傳播的能量輻射形式，所以聲波成為在浩瀚的大海中進(jìn)行信息采集、傳輸?shù)闹匾d體[1]。將海水中的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就要用到水聽(tīng)器。水聽(tīng)器包括壓電型、磁致伸縮型、動(dòng)圈式等[2]。聲壓水聽(tīng)器探測(cè)水下聲信號(hào)以及噪聲聲壓變化并產(chǎn)生和聲壓成比例的電壓輸出。這種探測(cè)技術(shù)在很多場(chǎng)景下有它的優(yōu)勢(shì)，所以在多個(gè)領(lǐng)域比如大型岸基海域防衛(wèi)警戒系統(tǒng)、艦載聲納陣、海洋噪聲監(jiān)測(cè)陣等應(yīng)用場(chǎng)合都有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。水聽(tīng)器的輸出為微弱信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行放大處理。相比于普通的信號(hào)處理電路，去除信號(hào)中的直流分量、放大有用信號(hào)，在微弱信號(hào)處理電路[3]中顯得尤為重要?；诜糯笮枨蠛洼敵鲂盘?hào)脆弱易失真的矛盾，為了在獲取保真輸出的同時(shí)盡量不犧牲放大倍數(shù)，研究了一種CTIA型積分放大與采樣保持電路，其特點(diǎn)是信號(hào)輸出直流偏置不受制于前端輸入直流偏置。從理論上講，此電路系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)的時(shí)序控制偏置反饋功能相結(jié)合，能在極大程度上解決水聽(tīng)器信號(hào)失真問(wèn)題，同時(shí)保證電路的放大倍數(shù)需求。

2 動(dòng)態(tài)去直流偏置的積分放大與采樣保持電路

通常需要經(jīng)過(guò)隔直放大、采樣保持的調(diào)理過(guò)程，水聽(tīng)器產(chǎn)生的微弱信號(hào)才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成可被嵌入式系統(tǒng)處理的數(shù)字信號(hào)。電容反饋跨導(dǎo)放大器（CTIA）是由反向放大器和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器。待調(diào)理信號(hào)電流在反饋電容上積分，其增益大小由積分電容、積分時(shí)間等共同決定。CTIA可以提供很低的輸入阻抗和恒定的偏置電壓，在從很低到很高的背景范圍內(nèi)都具有非常低的噪聲，適用于微弱信號(hào)的調(diào)理[4]。圖1給出了由基本CTIA與采樣保持電路構(gòu)成的微弱信號(hào)調(diào)理電路。該電路需要嵌入式系統(tǒng)配合時(shí)序控制，才能完成數(shù)據(jù)的隔直放大、采樣保持等功能。

圖1 積分放大與采樣保持電路基本結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)K1～K3同一時(shí)刻最多只有一個(gè)閉合。K1～K3的閉合分別對(duì)應(yīng)如下功能：積分放大、起始電壓復(fù)位、采樣保持。K3閉合時(shí)，運(yùn)放A1的輸出為采樣保持電容C1充電，電壓跟隨器A2的輸出時(shí)刻跟隨A1的輸出，即UOUT=UINT;K3斷開(kāi)后，由于電容兩端電壓不會(huì)突變，以及運(yùn)放的虛斷概念，Uout上始終保持K3斷開(kāi)前的電壓值，為后端嵌入式系統(tǒng)提供采樣時(shí)間；K1閉合時(shí)，水聽(tīng)器接收到的信號(hào)Vs通過(guò)R為反饋電容Ci充電，利用虛短、虛斷概念有：

其中UCi0為電容Ci的初始電壓。當(dāng)K2閉合時(shí)，A1構(gòu)成電壓跟隨器，使電容Ci復(fù)位為初始值UCi0=Vref_1。因此整個(gè)積分放大與采樣保持的輸出為：

Vref_1的取值通常根據(jù)前端傳感器輸出特性，使其固定等于輸出信號(hào)的直流分量。由公式(3)可知，信號(hào)的放大倍數(shù)由電路的積分時(shí)間，即K1閉合的時(shí)間決定，Vref_1為電路的輸出直流偏置。該電路的需要關(guān)注的主要問(wèn)題是，由于放大倍數(shù)過(guò)大導(dǎo)致運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)而造成結(jié)果失真。為了保證電路輸出的動(dòng)態(tài)范圍，我們不得不從以下兩方面著手：或限制放大倍數(shù)，或穩(wěn)定直流偏置電壓為運(yùn)放輸出上下軌的中值。為了獲得更好的采樣效果，我們往往需要獲得盡可能大的信號(hào)放大倍數(shù)。同時(shí)，由于前段傳感器性能的一致性問(wèn)題，使其真實(shí)輸出直流分量與我們預(yù)設(shè)的Vref_1可能存在出入，這個(gè)差值即為Δu。在保證放大倍數(shù)的前提下，Δu的存在可能直接導(dǎo)致運(yùn)放的飽和輸出。因此我們采用如圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，以兼顧動(dòng)態(tài)范圍和放大倍數(shù)。

圖2 動(dòng)態(tài)去直并穩(wěn)定偏置的積分放大與采樣保持電路

類(lèi)似于基本積分放大與采樣保持電路的分析，該電路的輸出方程如下：

同基本的積分放大與采樣保持電路不同的是，圖2所示電路的輸出直流偏置與輸入信號(hào)的去直偏置沒(méi)有采用同一電平，而是分別采用Vref_2與Vref_1。實(shí)際使用中，Vref_2被固定設(shè)置為運(yùn)放輸出上下軌的中值，保障了A2的動(dòng)態(tài)范圍。Vref_1不采用固定值，而是用后端嵌入式系統(tǒng)通過(guò)DAC反饋回的特定電平。該特定電平根據(jù)后端嵌入式系統(tǒng)對(duì)于采樣輸出結(jié)果擬合優(yōu)化產(chǎn)生，以補(bǔ)償由于水聽(tīng)器一致性問(wèn)題造成的輸入信號(hào)US直流分量的離散性偏差。該方案除了對(duì)嵌入式系統(tǒng)提出時(shí)序控制要求外，還需要嵌入式系統(tǒng)針對(duì)電路輸出結(jié)果擬合優(yōu)化出更佳的輸入直流偏置電平。計(jì)算擬合過(guò)程不在本文的討論范圍。

3 可行性仿真

為了驗(yàn)證圖2電路的可行性以及計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。本次仿真主要驗(yàn)證輸入直流偏置與輸出直流偏置的分離可行性，以及放大倍數(shù)的正確性。

此電路作為一種弱信號(hào)放大器，其輸入阻抗R應(yīng)足夠小，同時(shí)為了保證放大倍數(shù)，積分電容Ci與積分時(shí)間CLK_1又要足夠大，但又不能特別大，以免運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)。為了檢驗(yàn)輸入直流偏置與輸出直流偏置分離的可行性，還需設(shè)置不同的Vref_1與Vref_2。同時(shí)，復(fù)位時(shí)間CLK_2與采樣時(shí)間CLK_3又要足夠長(zhǎng)，以保證電容Ci與C1充分充放電。水聽(tīng)器的輸出響應(yīng)變化一般可達(dá)到1mV及以上[5]，因此輸入信號(hào)采用低頻正弦波輸入，峰峰值變化為2mV，擬設(shè)置放大倍數(shù)

仿真參數(shù)如表1所示。在該參數(shù)下，信號(hào)放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到－500倍，輸出直流偏置應(yīng)穩(wěn)定在3V?？刂菩盘?hào)CLK1～CLK3的時(shí)序如圖3所示，其中控制信號(hào)的高電平對(duì)應(yīng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)，低電平對(duì)應(yīng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)，綠色線對(duì)應(yīng)積分開(kāi)關(guān)K1，紅色線對(duì)應(yīng)采樣保持開(kāi)關(guān)K3，紫色線對(duì)應(yīng)起始電壓復(fù)位開(kāi)關(guān)K2。

表1 CTIA仿真參數(shù)

圖3 開(kāi)關(guān)時(shí)序

微弱信號(hào)放大電路仿真結(jié)果如圖4所示。圖中黃線為模擬的水聽(tīng)器輸入信號(hào)，由于本次仿真主要考察輸入輸出直流偏置電平的可分離性，因此輸入信號(hào)的直流偏置電平為隨機(jī)選擇，只需滿足同輸出偏置電平的區(qū)分性即可。圖中紅色線為積分輸出線，由圖可知，積分放大電路的輸出每次均從3V（Vref_2）開(kāi)始積分，當(dāng)輸入信號(hào)大于Vref_1時(shí)向下積分，當(dāng)輸入小于Vref_1時(shí)向上積分，符合仿真預(yù)期。圖中綠色線為采樣保持輸出，由圖可知，微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)該電路得到有效放大，由輸入峰峰值2mV被放大到輸出峰峰值1V，放大倍數(shù)－500倍，符合仿真預(yù)期。

圖4 微弱信號(hào)放大電路仿真結(jié)果

綜合以上仿真結(jié)果，電路的放大倍數(shù)，以及輸入輸出信號(hào)直流偏置的可分離性均符合預(yù)期，由此驗(yàn)證了該電路在保證放大倍數(shù)的同時(shí)，避免由于水聽(tīng)器輸出性能離散性導(dǎo)致的運(yùn)放輸出結(jié)果失真現(xiàn)象，是完全可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

在詳細(xì)描述用于微弱信號(hào)的CTIA型積分放大電路與采樣保持電路的工作原理的基礎(chǔ)上，提出在獲得盡可能大的放大倍數(shù)的需求下，避免由于水聽(tīng)器輸出性能不一致而導(dǎo)致采樣結(jié)果失真問(wèn)題的一種解決辦法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法的實(shí)現(xiàn)，不但需要嵌入式系統(tǒng)的時(shí)序控制，還需要嵌入式系統(tǒng)完成信號(hào)輸入直流偏置電平的擬合輸出反饋。完成水聽(tīng)器信號(hào)的調(diào)理后，后續(xù)通過(guò)采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào)[6]，并在嵌入式系統(tǒng)中完成信號(hào)的進(jìn)一步處理[7]。

除此之外，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮運(yùn)放的失調(diào)消除技術(shù)以及噪聲抑制技術(shù)，從而得到高信噪比的信號(hào)輸出。比如，選用低噪聲、快速的建立時(shí)間、高增益的運(yùn)算放大器，由此降低失調(diào)并獲得更高的精度。這方面的技術(shù)改進(jìn)具有廣泛的應(yīng)用前景，其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和存在的問(wèn)題還有待做出進(jìn)一步的研究。

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