一種低頻矢量水聽器內(nèi)嵌式電荷放大器

方爾正, 張智強(qiáng), 李媛, 王歡, 李宗儒

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.海洋信息獲取與安全工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)) ,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

目前應(yīng)用最廣泛的矢量水聽器是一種新概念傳感器,其具備一定的低頻探測能力。矢量水聽器由聲壓和振速環(huán)節(jié)復(fù)合而成,聲壓部分大多采用壓電式結(jié)構(gòu),一般由敏感元件、輔助結(jié)構(gòu)以及電纜組成,然后封裝于透聲性能良好的橡膠或聚氨酯材料中。由于壓電式傳感器輸出阻抗高,因此需要放大器作好匹配。

在水聽器測量系統(tǒng)中,電壓放大器易受電纜電容影響,而電荷放大器靈敏度與電容量無關(guān),通常用作轉(zhuǎn)換電路[1],適用于長距離沖擊和振動(dòng)的測量,而這與水聽器使用環(huán)境相符合。

常見的電荷-電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)使用了集成運(yùn)放和反饋電容等。但集成運(yùn)放對反饋電容等電子元件的精度要求很高且反饋電容難以集成[2];同時(shí)傳統(tǒng)電路至少需要供電線、信號(hào)線以及地線單獨(dú)走線,走線復(fù)雜且易受電磁干擾。因此需要設(shè)計(jì)一種可以集成的壓電傳感器內(nèi)置電路,也稱壓電集成電路。

IEPE電路自帶電荷放大或電壓放大功能[3],集成了調(diào)理電路,電路輸入端與敏感元件相連,系統(tǒng)通常由4 mA恒流源供電并將敏感元件輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),電路輸出端信號(hào)線與電源線共線,實(shí)現(xiàn)了將敏感元件與電荷放大電路集成于一體的目的,此外傳感器外殼可以抑制電路電磁干擾[4],提高測量精度和可靠性。

在水聲工程實(shí)踐中,水下目標(biāo)的輻射噪聲主要能量集中在2 Hz～10 kHz內(nèi)[5],在較遠(yuǎn)距離上,如100～1 000 m時(shí),聲源級SL=120 dB的目標(biāo)經(jīng)過傳播到達(dá)水聽器表面后的聲壓級為60～80 dB,若水聽器靈敏度為-180 dB,則聲電轉(zhuǎn)化的電壓范圍是1～10 μV,為使該信號(hào)足以驅(qū)動(dòng)電纜,以便作為第二級放大的輸入,可將其前置放大10倍處理,因此放大電路放大倍數(shù)可設(shè)計(jì)為10倍。

同時(shí)該電路頻率應(yīng)在2 Hz～20 kHz的內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng),以滿足水下輻射噪聲的主要頻率范圍。

1 基本原理

1.1 傳統(tǒng)水聽器測量原理

對于一般水聽器,當(dāng)傳感器內(nèi)壓電片感知到應(yīng)變后,產(chǎn)生的輸出電荷很小,信號(hào)往往掩埋在各種噪聲中[6],無法使用數(shù)字采樣系統(tǒng)直接測得電荷量。另一方面,由于一般電路輸入阻抗很小,壓電片上的電荷會(huì)被輸入電阻泄露,無法通過常規(guī)電路進(jìn)行測量,因此需要將此電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并經(jīng)電纜傳送至殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的放大、濾波電路,再經(jīng)過調(diào)理電路后輸出,得到最終的輸出信號(hào)。因此信號(hào)要經(jīng)過一定長度的電纜才可以輸入到后續(xù)電路中,該信號(hào)易受電纜電容以及環(huán)境電磁干擾等影響。同時(shí)連接傳感器和后續(xù)電路的電纜至少需要電源線、地線和信號(hào)線,不利于傳感器的集成化。

為了減小傳輸電纜的影響,可以將電壓放大電路替換為電荷放大電路,電路前端與敏感元件相連,輸出信號(hào)與電源線共線,如圖1所示。

IEPE電路的主要部分即電荷放大電路,該電路的主要作用是將傳感器輸入的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為方便后續(xù)電路測量的電壓信號(hào)[7],同時(shí)也可以在保證一定帶寬的條件下,實(shí)現(xiàn)一定倍數(shù)的放大作用[8]。

目前最常見的電荷放大器主要是由運(yùn)算放大器和由反饋電容C與反饋電阻R組成的深度負(fù)反饋高增益放大電路,當(dāng)開環(huán)增益足夠高時(shí),電荷放大器的輸出端電壓可以表示為:

Uo=-Q/C

(1)

式中Q為輸入電荷量。

因此,纜線長度和壓電陶瓷自身的電容幾乎可以忽略,Uo僅由輸入端電荷Q和電容C決定,這是電荷放大器最明顯的特點(diǎn)。

1.2 電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)電路所用的元器件多為電容、電阻、三極管等分立元件,不僅體積小、易于集成,且可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源共線。所設(shè)計(jì)的放大電路如圖2。

圖2 電荷放大器原理Fig.2 Schematic diagram of charge amplifier

電荷放大器不僅可以將輸入的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),還可以同時(shí)將其放大若干倍。但這種放大并沒有將電荷放大,只是將阻抗較高的電荷源轉(zhuǎn)化為低阻抗的電壓源[9]。該電路主要包括結(jié)型場效應(yīng)管部分和雙極結(jié)型三極管部分,場效應(yīng)管和晶體管的特征頻率高,因此電路的頻帶較寬[10]。

該電路采用24 V,4 mA恒流源供電,通過合理選擇電阻阻值可以將輸出偏置電壓控制在合適的范圍,本文設(shè)計(jì)輸出偏置為7 V左右。

電路中反饋電容為Cf。電阻Rg為反饋電阻,Rg的阻值很大,可以為JFET提供負(fù)柵壓偏置,用來泄漏掉場效應(yīng)管FET的柵極電流,也可以降低偏置電阻噪聲[11],電路的輸入阻抗主要也是由該電阻決定的。電荷流經(jīng)電阻Rg產(chǎn)生的電壓通過場效應(yīng)管JFET實(shí)現(xiàn)小信號(hào)壓控電流變化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換。根據(jù)信號(hào)源的阻抗大小,本文中Rg采用阻值為1 M的電阻。Rg和Cf共同決定了該放大電路的時(shí)間常數(shù),也即決定了頻帶的低頻截止頻率,時(shí)間常數(shù)越大,低頻截止頻率越小。Cpe為壓電陶瓷片自帶等效電容。

場效應(yīng)管JFET可以為電路提供高輸入阻抗,實(shí)現(xiàn)電路的阻抗變換,PNP晶體管可以減小電路的輸出阻抗,提高電路帶負(fù)載能力,也可以實(shí)現(xiàn)電源線與信號(hào)線共線傳輸。

1.3 微變等效電路

由于該電路使用的頻率范圍為幾赫茲到幾十赫茲,因此需使用混合π模型畫微變等效電路,完整的微變等效電路如圖3所示。

圖3 完整的混合π模型Fig.3 Complete mixed π model

對此等效電路進(jìn)行如下簡化:

1)對于三極管。

通常情況下,Rce遠(yuǎn)大于C-E之間接的負(fù)載電路,Rb′c也遠(yuǎn)大于Cb′c′的容抗,因而可以認(rèn)為Rce和Rb′c開路。

在圖3中,從B′看進(jìn)去Cb′e′中流過的電流為:

(2)

(3)

在近似計(jì)算時(shí)即有:

(4)

(5)

則此時(shí)有:

(6)

(7)

(8)

2)對于場效應(yīng)管。

一般情況下,Rgs比外接電阻大得多,因此在近似分析時(shí)可認(rèn)為是開路的。

(9)

(10)

(11)

綜上可得簡化后的混合π模型如圖4。

圖4 簡化后的混合π模型Fig.4 Simplified mixed π model

1.4 頻率響應(yīng)計(jì)算

1.4.1 下限截止頻率計(jì)算

(12)

(13)

而JFET的漏源電壓放大倍數(shù)等于漏極輸出電壓變化量與柵級輸入電壓變化量之比,即:

(14)

而在該電路中,通過合理選擇電阻R1和R2,可以使場效應(yīng)管盡量工作在線性區(qū),輸出信號(hào)不失真。

假設(shè)時(shí)刻t1JFET柵極電壓為Vg1,漏極電流為id1,柵源電壓為Vgs1,根據(jù)圖4的簡化混合π模型可知:

Vgs1=Vg1-Vs1=Vg1-id1R2

(15)

即:

(16)

結(jié)合實(shí)際場效應(yīng)管id-Vgs特性曲線,可以得到此時(shí)的Vgs1和id1。再根據(jù)此時(shí)的Vgs1和id1,結(jié)合場效應(yīng)管實(shí)際id-Vds特性曲線,可以得到此時(shí)的漏源電壓Vds1。如圖5所示。

圖5 JEFT特性曲線Fig.5 JEFT characteristic curve

則此時(shí)Vg1為:

Vg1=Vs1+Vgs1=id1R2+Vgs1

(17)

同理可得當(dāng)t2時(shí)刻有:

Vg2=Vs2+Vgs2=id2R2+Vgs2

(18)

因此,在t1-t2時(shí)間段內(nèi),JFET柵極電壓差為:

ΔVg=(id2-id1)R2+Vgs2-Vgs1

(19)

漏極輸出電壓差為:

ΔVd=(id2-id1)R2+Vds2-Vds1

(20)

此時(shí)可得漏極電壓與柵極電壓放大倍數(shù)為:

(21)

因?yàn)閷?shí)際傳感器輸入信號(hào)為小信號(hào),因此Vgs變化很小,在id-Vgs輸入特性曲線上動(dòng)態(tài)范圍很小,可近似為線性。假設(shè)輸入為零,即靜態(tài)工作點(diǎn)處曲線斜率為gm,也即此時(shí)場效應(yīng)管的導(dǎo)納,輸入小信號(hào)后也可用此gm近似替代曲線斜率。即有:

(22)

理論靜態(tài)工作點(diǎn)VgsQ的值可由式(23)及數(shù)據(jù)手冊得出:

VgsQ=-VsQ=-idQR2

(23)

在id-Vds輸出特性曲線上,由于輸入信號(hào)為小信號(hào),同樣可選擇Vgs等于靜態(tài)工作點(diǎn)VgsQ時(shí)對應(yīng)的曲線,并假設(shè)工作范圍內(nèi)近似為線性,此時(shí)場效應(yīng)管漏源電阻為Rds,即:

(24)

將式(22)、(24)代入式(21)可得:

(25)

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中輸入特性曲線以及所選取R2的值可知,gmR2+1可近似為gmR2,此時(shí)放大倍數(shù)即:

(26)

(27)

1.4.2 上限截止頻率計(jì)算

(28)

(29)

由此可得高頻截止頻率表達(dá)式為:

(30)

(31)

式(31)即最終高頻截止頻率近似計(jì)算公式。

1.5 電路增益

由于電路輸入端和輸出端電荷量相同,因此該電路的輸出端與輸入端電壓比同Cf與Cpe的比互為倒數(shù),即該電路理論放大倍數(shù)為:

A=Cpe/Cf

(32)

本設(shè)計(jì)中電容Cpe的值約為10 nF,Cf取值為1 nF。由式(32)可計(jì)算得此時(shí)電路放大倍數(shù)應(yīng)為10倍。

2 仿真與分析

2.1 器件選擇

JFET具有高輸入阻抗,低1/f噪聲的特性用于匹配壓電變換器的高輸出阻抗,且在一定頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)較好[12],可以采用2N4338、BFW13、2SK170等,本文設(shè)計(jì)中采用2SK170結(jié)型場效應(yīng)管,可以實(shí)現(xiàn)自偏壓設(shè)計(jì)。該管柵源之間的電阻可高達(dá)107Ω到1012Ω,當(dāng)VGS=-30 mV,IGSS(max)=-1 nA,適用于放大電路的第1級。在柵源電壓為10 V,漏源電壓為0 V時(shí),轉(zhuǎn)移導(dǎo)納為22 mS,即gm=22 mS。其擊穿電壓也較高,約為VGDS=-40 V,同時(shí)該場效應(yīng)管可運(yùn)用在-55～125 ℃的環(huán)境下,因此選用該JFET。

其輸入電容Ciss在VDS=10 V,VGS=0,f=1.0 MHz時(shí)約為30 pF,即Ciss=Cgs+Cgd=30 pF。反饋電容Crss在VDG=10 V,ID=0,f=1.0 MHz時(shí)約為6 pF,即Crss=Cgd=6 pF。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出,Cgd=6 pF,Cgs=24 pF。

BJT的輸出阻抗很低,因此可以使有用信號(hào)最大限度地傳輸至后續(xù)電路。此電路中選用的型號(hào)為2N3906,該三極管為PNP晶體管,在IC=-1.0 mA,IB=0時(shí)集電極-發(fā)射級擊穿電壓為40 V,IC=1.0 mA,VCE=1.0 V時(shí),其直流電流增益在至少為80。在IC=1.0 mA,VCE=10 V,f=1.0 kHz時(shí)小信號(hào)電流增益為100～400。在IC=10 mA,VCE=20 V,f=100 MHz下增益帶寬積測試為250 MHz。在IE=0 mA,VCB=5.0 V,f=1.0 MHz時(shí)輸出電容為最大4.5 pF,在IC=0 mA,VEB=0.5 V,f=1.0 MHz時(shí)輸入電容為最大10 pF,可以滿足電路使用要求。

2.2 輸入輸出波形仿真

其中交流信號(hào)源與電容組合可以模擬壓電陶瓷受壓后產(chǎn)生電荷的過程。由于信號(hào)發(fā)生器最小輸出為1 mV,因此后續(xù)仿真及測試輸入均選用1 mV。即峰峰值為2 mV。設(shè)頻率為400 Hz,由于放大倍數(shù)為10,可得輸出信號(hào)理論值為20 mV。仿真后輸入輸出波形如圖6所示。

圖6 Multisim仿真Fig.6 Multisim simulation

由圖6可以看出,仿真結(jié)果與理論計(jì)算值符合,輸出信號(hào)峰峰值約為20 mV。

2.3 頻率特性仿真

Multisim也可以對電路進(jìn)行頻率響應(yīng)仿真,包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。由于帶寬是電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一,且根據(jù)增益帶寬積為一常數(shù),因此需合理選擇電容Cf的值。當(dāng)Cf采用1 nF時(shí),對電路的幅頻響應(yīng)進(jìn)行仿真,得仿真結(jié)果如圖7與圖8。

圖7 低頻轉(zhuǎn)折頻率Fig.7 Low frequency response characteristics

圖8 高頻轉(zhuǎn)折頻率Fig.8 High frequency response characteristics

根據(jù)圖7及圖8所示的仿真結(jié)果,可以看出該電路最大增益為19.3 dB,增益下降3 dB時(shí),低頻轉(zhuǎn)折頻率約0.9 Hz,高頻轉(zhuǎn)折頻率為78.8 kHz。

3 測試

3.1 實(shí)際輸出信號(hào)波形測試

按照所設(shè)計(jì)的電路制作PCB后,電路板大小約為1 cm×1 cm,將各元器件焊接好,實(shí)物圖如圖9。實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境如圖10所示。

圖9 電路實(shí)物Fig.9 Circuit diagram

圖10 測試環(huán)境Fig.10 Test environment

測試時(shí)給輸入信號(hào)峰峰值為2 mV,頻率分別為0.002、0.005、0.096、1、20 kHz時(shí)分別得到輸出信號(hào)波形如圖11所示。

圖11 不同頻率下放大電路輸出波形Fig.11 Output waveform of amplifier circuit at different frequencies

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)得到示波器讀到的峰峰值及輸出偏置電壓如表1所示。

表1 不同頻率下電路輸出參數(shù)Table 1 Circuit output parameters at different frequencies

3.2 頻率響應(yīng)特性測試

改變輸入信號(hào)的頻率,得到測試電路的頻率響應(yīng)如圖12所示。

圖12 電路頻率特性Fig.12 Circuit frequency characteristics

可以看到該電路實(shí)際增益約21 dB,高頻下降3 dB轉(zhuǎn)折點(diǎn)處頻率約為fH=104.9、 Hz=79.4 kHz,低頻下降3 dB轉(zhuǎn)折點(diǎn)為fL=100.117、 Hz=1.3Hz。因此可以滿足一般水聽器的使用范圍。

3.3 電路穩(wěn)定性測試

將輸入信號(hào)設(shè)置為峰峰值2 mV,頻率為1 kHz,可得輸出峰峰值為22.7 mV,將電路連續(xù)工作48 h后,輸出峰峰值為22.5 mV,偏差只有0.2 mV,由此可以認(rèn)為該電路具有一定的穩(wěn)定性。

3.4 線性度測試

將輸入信號(hào)頻率設(shè)置為10 kHz,改變輸入峰峰值得到相應(yīng)輸出信號(hào)峰峰值,可繪制如圖13的輸入輸出幅度曲線。

圖13 輸入輸出幅度曲線Fig.13 input and output fitting curve

線性度δL又稱為非線性誤差,用特性曲線與其規(guī)定的擬合曲線之間的最大偏差ΔMmax與電路最大輸出值ymax的百分?jǐn)?shù)來表示:

(33)

進(jìn)過數(shù)據(jù)對比可得,輸入電壓峰峰值為100 mV時(shí),特性曲線與擬合曲線的偏差最大,最大為ΔMmax=5.5 mV,而ymax=900 mV,代入式(33)可得δL=0.6%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種用于低頻水聽器的內(nèi)嵌式電荷放大器,通過分立元件可以使水聽器的放大電路內(nèi)嵌于水聽器中。該電路具有以下優(yōu)勢:1)電路采用24 V,4 mA電流源供電,電源線與信號(hào)輸出線共用一根線,一方面減少了電路外圍設(shè)備的使用,另一方面降低了因?qū)Ь€的存在而對電荷放大器的輸出信號(hào)產(chǎn)生的影響;2)電路輸入阻抗高,輸出阻抗小,更好地解決了壓電式結(jié)構(gòu)的水聽器輸出阻抗高的問題;3)電路使用的電子元件數(shù)目較其他形式電路少,因此成本更低。通過仿真、測試可知,該電路可以滿足一般水聽器的使用要求,該設(shè)計(jì)具有一定的使用價(jià)值。