發(fā)布時間：2021-08-20 01:19

　　針對電容式微機械超聲換能器（CMUT）高靈敏度、寬頻帶的特點以及微弱電流檢測的需求,設(shè)計了一種高增益、寬頻帶的三級放大電路,實現(xiàn)對CMUT器件的微弱電流信號的檢測、放大以及濾波功能。通過搭建測試系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)CMUT對水下超聲信號的接收,對電流信號接收放大與濾波,同時對電路性能進行測試驗證。實驗結(jié)果表明,電路可以對CMUT器件產(chǎn)生的微弱電流信號進行轉(zhuǎn)換放大和濾波,增益可以達到130 dB以上,同時前兩級電路結(jié)構(gòu)的帶寬也可以達到10 MHz,涵蓋了CMUT的工作頻帶。測試結(jié)果表明,第一級與第二級電路結(jié)構(gòu)具有良好的線性度與穩(wěn)定性,第三級電路結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有一致性,該電路可以對CMUT發(fā)出的微弱電流信號進行轉(zhuǎn)化、放大和濾波。 

【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020,(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

CMUT敏感單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)CMUT原理可知,對信號的檢測基本分為兩類:檢測電荷的變化,可以據(jù)此設(shè)計出電荷放大器;對電流的檢測,最終可以設(shè)計出跨阻放大器。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),利用電荷變化設(shè)計的電荷放大器,它在電荷轉(zhuǎn)移的過程中,對電容的充放電過程是由電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制的,而電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)則會帶來電荷注入效應(yīng),并對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。本文設(shè)計的三級放大電路,它的一級電路結(jié)構(gòu)為跨阻放大器,該結(jié)構(gòu)不僅可以接收CMUT的輸出信號,還可以避免電路的自激問題,并且能在滿足高增益、寬頻帶的前提下,有效地改善拖尾現(xiàn)象,完善實驗結(jié)果;二級反向放大器是對電路整體結(jié)構(gòu)的補充,在只有一級放大的前提下,放大倍數(shù)不夠,而二級反相放大器的設(shè)計也必須滿足帶寬以及噪聲要求,盡量做到帶寬比前一級高,同時具有低噪的效果;第三級是濾波器,目的是降低前兩級電路結(jié)構(gòu)的噪聲以及來自外部設(shè)備的干擾。整個系統(tǒng)的框圖如圖2所示。2.1 一級跨阻放大器電路設(shè)計

由式(2)可以看出,反饋電阻的阻值即為跨阻放大器的放大倍數(shù)。電路的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示,C1是隔離電容,隔離輸入端的直流分量。R1是補償電阻,其作用是保證運放的差分輸入級的對稱性,其阻值大小取決于等效反饋電阻的阻值。與R1并聯(lián)的C2的作用是消除R1上的雜散噪聲,從而降低整個電路結(jié)構(gòu)的噪聲。Cf作為反饋電容,其作用是進行相位補償,防止電路發(fā)生自激,同時還可以通過引入極點的方式抑制高頻噪聲。VCC與VDD分別給芯片供正負電壓。Rf1、Rf2與R2同時構(gòu)成T型反饋網(wǎng)絡(luò)[10],增加電路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。反饋電阻及輸出電壓的推導(dǎo)公式如下:

【參考文獻】：
期刊論文
[1]電容式微機械超聲換能器的信號調(diào)理電路設(shè)計[J]. 趙蕾,張文棟,何常德,張國軍,焦新泉.  電測與儀表. 2017(07)
[2]基于交流電橋的動態(tài)微弱電容檢測電路[J]. 廉德欽,何常德,苗靜,杜春暉,宛克敬,薛晨陽.  電測與儀表. 2012(07)
[3]電容MEMS超聲換能器研究進展[J]. 欒桂冬.  應(yīng)用聲學(xué). 2012(04)
[4]聲納換能器的新進展[J]. 王炳輝,陳敬軍.  聲學(xué)技術(shù). 2004(01)

碩士論文
[1]隧道式微加速度計信號處理電路的研究[D]. 陳靜.中北大學(xué) 2008



本文編號：3352520