低噪聲水聲信號前置放大器設(shè)計

程華,陳科君,王旭光

(1.海鷹企業(yè)集團有限責(zé)任公司,江蘇 無錫 214111;2.湖北大學(xué)人工智能學(xué)院,湖北 武漢 430062)

0 引言

海洋對人類意義重大,有著豐富的水資源、生物資源以及礦產(chǎn)資源,世界各國對海洋的重視程度與日俱增。隨著中國綜合國力的不斷提高,在海防力量上的不斷加強,我國已經(jīng)從過去的“重陸輕?！睉?zhàn)略轉(zhuǎn)向了“海陸統(tǒng)籌”戰(zhàn)略,將海洋的發(fā)展與社會發(fā)展緊密聯(lián)系在了一起。

聲信號是目前人類所掌握的唯一能在海洋中實現(xiàn)遠距離且可靠傳播的信息載體,因此我們主要通過對水聲信號的采集、處理和分析來探索揭示海洋的秘密[1]。水聽器是獲取水聲信號的重要設(shè)備,其中壓電型水聽器憑借其技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、能夠耐受高靜水壓等特點,已廣泛應(yīng)用于水聲通信、海洋環(huán)境監(jiān)測、海底資源勘探以及海洋軍事探測等諸多領(lǐng)域[2]。

1 電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計

前置放大器的電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由前級儀表放大電路,帶通濾波電路和單端轉(zhuǎn)差分電路三部分組成。水聽器輸出的微弱電信號首先被增益為20 dB的前級電路放大,以提高信噪比;然后經(jīng)過帶通濾波電路,濾除不需要的帶外噪聲信號,同時盡可能完整的保留需要分析的頻帶內(nèi)信號;最后經(jīng)轉(zhuǎn)差分電路將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號形式送入后端采集系統(tǒng),差分信號具有抗共模干擾能力強、有利于長距離傳輸?shù)葍?yōu)點,同時這一轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)額外的6 dB信號增益。

圖1 前置放大器電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 前級放大電路設(shè)計

根據(jù)計算多級級聯(lián)電路總噪聲系數(shù)的弗里斯公式可知:前級放大電路的噪聲系數(shù)對整個前置放大器的總噪聲系數(shù)影響最大,因此要求前級放大電路必須噪聲小、增益穩(wěn)定精確、抗干擾能力強。隨著低噪聲運算放大器技術(shù)的不斷發(fā)展,直接選用低噪聲運放芯片設(shè)計前級放大器成為一種趨勢[6]。運放芯片根據(jù)功能劃分有精密運算放大器、差分放大器、可控增益放大器、儀表放大器等類型,其中儀表放大器由于具有低直流偏移、低噪聲、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點,廣泛用于需要精確性和穩(wěn)定性非常高的工業(yè)、測量、數(shù)據(jù)采集和醫(yī)療等應(yīng)用[7]。

通過對表1中所示的亞德諾半導(dǎo)體(ADI)公司推出的典型低噪聲儀表放大器的性能參數(shù)進行比較,重點考慮低噪聲、低功耗、高速、小體積的需求,最終選用AD8421芯片設(shè)計前級放大電路,其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。D1和D2為雙向限幅保護二極管,C1、R1和C2、R2分別實現(xiàn)同相與反相輸入端的阻抗匹配,同時起到對信號隔直的作用。與芯片2引腳和3引腳相連的電阻R是增益反饋電阻,通過調(diào)節(jié)該電阻的阻值,可實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。芯片的5引腳接負電源、8引腳接正電源供電,正負電源引腳又分別并聯(lián)10 μF和0.01 μF電源濾波電容,可以消除可能由電源引入的工頻噪聲干擾[8]。芯片的7引腳為信號輸出引腳,6引腳是基準(zhǔn)電壓引腳,在本設(shè)計中該引腳接地。

表1 ADI公司典型儀表放大器性能參數(shù)比較

圖2 基于儀表運放的前級放大電路設(shè)計

根據(jù)芯片手冊可知,反饋電阻與放大倍數(shù)的關(guān)系如下:

(1)

式中,G為電路放大倍數(shù),R為反饋電阻阻值。由于本設(shè)計中前級放大為20 dB固定增益(10倍),可求得R=1.1 kΩ。

1.2 帶通濾波電路設(shè)計

信號經(jīng)前級放大之后,進入有源帶通濾波電路,該電路的作用是使通帶內(nèi)的有用信號無衰減的通過進入下一級處理電路,而將噪聲和干擾等不需要的信號濾除或者抑制。本設(shè)計中所需要的帶通濾波器的帶寬為100 Hz～20 kHz,屬于寬帶帶通濾波器,因此采用高通濾波加低通濾波級聯(lián)的方式實現(xiàn)。同時為了有效濾除主要集中在低頻段的噪聲以及50 Hz工頻干擾,高通濾波部分設(shè)計為四階以提高帶外衰減特性,低通濾波部分為二階,均采用正反饋型的Sallen-Key結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)相比于負反饋型的Multiple Feedback結(jié)構(gòu)具有增益穩(wěn)定,外圍阻容器件數(shù)量少,輸入輸出信號同相位,對運放帶寬要求低,容易實現(xiàn)等優(yōu)點[9]。圖3所示為四階Sallen-Key有源高通濾波器的電路結(jié)構(gòu),運算放大器芯片選用ADI公司的OP2177,該芯片是一款低噪聲、低輸入偏置電流的雙通道運算放大器,非常適合精密有源濾波器應(yīng)用。

圖3 四階Sallen-Key有源高通濾波器電路結(jié)構(gòu)

上圖中的高通濾波電路可看作由兩級二階高通濾波器級聯(lián)而成,因此其傳遞函數(shù)為:

(2)

為減少阻容元件的種類,可令電路中的四個電容為相同容值。選擇巴特沃斯型濾波器響應(yīng),高通截止頻率fc=100 Hz處的衰減設(shè)為-0.5 dB,使用文獻[10]中介紹的計算方法即可求出所用阻容值分別為:C1=C2=C3=C4=2.2 μF,R1=1.02 kΩ,R2=866 Ω,R3=2.49 kΩ,R4=360 Ω。設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增大電容值,使電阻值減小,從而降低電路熱噪聲。

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圖4所示為二階Sallen-Key有源低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)。

圖4 二階Sallen-Key有源低通濾波器電路結(jié)構(gòu)

其傳遞函數(shù)為:

(3)

同樣,令R1=R2=10 kΩ,根據(jù)低通截止頻率fc=20 kHz,截止頻率處的衰減-0.5 dB以及品質(zhì)因數(shù)Q,即可求得C1=680 pF,C2=331 pF。

最后將高通濾波電路與低通濾波電路級聯(lián),使用Multisim軟件仿真其頻率響應(yīng),結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可看出,所設(shè)計的帶通濾波電路通帶內(nèi)平坦,無明顯起伏,在下限截止頻率100 Hz處,衰減為-0.465 dB,在上限截止頻率20 kHz處,衰減為-0.426 dB,均滿足性能指標(biāo)要求。

圖5 帶通濾波電路頻率響應(yīng)仿真結(jié)果

1.3 單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計

帶通濾波電路的輸出為單端模擬信號,在長距離傳輸過程中很容易受到干擾,而差分信號傳輸具有能有效抵抗外部共模干擾,抑制偶次諧波失真等特點,在信號的長距離傳輸中比單端信號形式更具有優(yōu)勢,因此本文中設(shè)計了單端轉(zhuǎn)差分電路,使前置放大器的最終信號輸出為差分形式。單端轉(zhuǎn)差分電路的結(jié)構(gòu)如圖6所示,電阻R1和R2取相同阻值,R3為平衡電阻。該電路的OUT+輸出端為輸入直通信號,即同相輸出端;OUT-輸出端為輸入信號經(jīng)反相電路將相位反轉(zhuǎn)180°之后的信號,即反相輸出端。圖7所示為Multisim仿真結(jié)果,圖中上方曲線為正弦輸入信號波形,下方曲線為幅度相同,相位反相的兩路正弦輸出信號波形,可見該電路可實現(xiàn)單端信號轉(zhuǎn)差分信號的功能。

圖6 單端轉(zhuǎn)差分電路結(jié)構(gòu)

圖7 單端轉(zhuǎn)差分電路正弦波形仿真結(jié)果

2 性能測試

依照上述電路結(jié)構(gòu)對低噪聲前置放大器進行PCB設(shè)計、焊接制作及性能測試,其中性能測試分為兩部分:首先單獨對制作的前置放大器進行指標(biāo)測試,并與仿真結(jié)果進行對比,檢驗是否實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo);然后將前置放大器與某型壓電水聽器連接進行整體測試,驗證其實際應(yīng)用于水聽器后對水聲信號的調(diào)理效果。

2.1 PCB設(shè)計與實物制作

由于前置放大器需要灌封到水聽器中工作,而水聽器陶瓷管內(nèi)部空間狹小,因此要求前置放大器PCB體積必須盡可能小型化。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),本設(shè)計中所使用的運放芯片均選擇MSOP小尺寸封裝,阻容選擇0402或者0603封裝。最終設(shè)計完成的PCB如圖8所示,其長度為40 mm,寬度為14 mm。焊接完成的前置放大器實物如圖9所示,左側(cè)為信號輸入端,右側(cè)為供電和信號輸出端。

圖8 前置放大器PCB設(shè)計

圖9 制作完成的前置放大器實物

2.2 前置放大器單板性能測試

單獨對制作完成的前置放大器進行性能指標(biāo)測試,包括幅頻響應(yīng)、輸出直流偏移、短路等效輸入噪聲和靜態(tài)功耗。

使用信號發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為100 mVpp的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號,接入前置放大器的輸入端,在50 Hz～40 kHz頻帶內(nèi)對前置放大器進行掃頻測試,通過示波器觀察輸出信號波形的同時,用六位半數(shù)字交流毫伏表測量各頻點的單端輸出電壓峰峰值與直流偏移,測試結(jié)果如表2所示。圖10中給出了1 kHz頻點下的輸入與輸出波形,可見同相與反相輸出端分別實現(xiàn)了20 dB的信號放大,且輸出波形平滑,無明顯失真,兩路輸出信號相位相差180°。

表2 前置放大器幅頻響應(yīng)測試結(jié)果

圖10 前置放大器輸入輸出信號比較

由上表數(shù)據(jù)可知:在100 Hz～20 kHz的工作頻帶內(nèi),前置放大器的單端增益為20 dB(差分增益為26 dB),輸入信號在截止頻率100 Hz時,輸出信號的衰減為-0.5 dB,在截止頻率20 kHz時,輸出信號的衰減為-0.4 dB,通帶內(nèi)幅頻響應(yīng)平坦度小于0.5 dB,幅頻特性響應(yīng)與仿真結(jié)果基本保持一致,滿足設(shè)計要求。

短路等效輸入噪聲測試是將前置放大器的輸入端短接到地,輸出端接測試用1 000倍放大工具板,用六位半數(shù)字交流毫伏表測量工具板的輸出信號有效值,然后折算成前置放大器的短路等效輸入噪聲,測試結(jié)果如表3所示。

表3 前置放大器短路等效輸入噪聲測試結(jié)果

將前置放大器的輸入端短接到地,在±5 V電源供電的條件下,使用六位半數(shù)字毫伏表測量供電電流,并計算靜態(tài)功耗,結(jié)果如表4所示。

表4 前置放大器靜態(tài)功耗測試結(jié)果

2.3 水聽器匹配測試

最后將制作完成的前置放大器與某型號壓電陶瓷圓管水聽器連接,采用振動液柱法進行低頻段內(nèi)的靈敏度測試,測量頻點為100 Hz、200 Hz、500 Hz和1 kHz。測試設(shè)備及環(huán)境如圖11所示,分別將水聽器輸出信號的正負極接入BK2650儀表級放大器與本設(shè)計的前置放大器,將BK2650增益設(shè)置為零。在兩種調(diào)理方式下對比所測水聽器靈敏度的差異,該差異值即反映前置放大器對水聽器輸出信號的增益能力。

圖11 水聽器振動液柱測量設(shè)備

水聽器靈敏度測試結(jié)果如表5所示,可見前置放大器對水聽器聲信號頻響的實測增益與表2中對標(biāo)準(zhǔn)信號源信號的增益較為一致,驗證了前置放大器驅(qū)動實際水聽器負載的能力。

表5 水聽器靈敏度測試結(jié)果

3 結(jié)論

針對壓電型水聽器微弱水聲信號調(diào)理的需求,本文中基于AD8421儀表運放和OP2177精密運放設(shè)計了一款低噪聲前置放大器。實物測試結(jié)果表明,該電路驅(qū)動實際水聽器負載的能力良好,在100 Hz～20 kHz工作帶寬內(nèi)可實現(xiàn)26 dB差分輸出增益,信號無失真,幅頻響應(yīng)平坦,且具有低噪聲、低功耗的特點,達到了設(shè)計要求,在各型壓電水聽器以及水聲信號采集系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用前景。