CMUT电流信号的转化放大与滤波电路设计

发布时间：2021-08-20 01:19

　　针对电容式微机械超声换能器（CMUT）高灵敏度、宽频带的特点以及微弱电流检测的需求,设计了一种高增益、宽频带的三级放大电路,实现对CMUT器件的微弱电流信号的检测、放大以及滤波功能。通过搭建测试系统平台,实现CMUT对水下超声信号的接收,对电流信号接收放大与滤波,同时对电路性能进行测试验证。实验结果表明,电路可以对CMUT器件产生的微弱电流信号进行转换放大和滤波,增益可以达到130 dB以上,同时前两级电路结构的带宽也可以达到10 MHz,涵盖了CMUT的工作频带。测试结果表明,第一级与第二级电路结构具有良好的线性度与稳定性,第三级电路结构的测试结果与仿真结果具有一致性,该电路可以对CMUT发出的微弱电流信号进行转化、放大和滤波。 

【文章来源】：仪表技术与传感器. 2020,(08)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

CMUT敏感单元结构

根据CMUT原理可知,对信号的检测基本分为两类:检测电荷的变化,可以据此设计出电荷放大器;对电流的检测,最终可以设计出跨阻放大器。经研究发现,利用电荷变化设计的电荷放大器,它在电荷转移的过程中,对电容的充放电过程是由电子开关网络控制的,而电子开关网络则会带来电荷注入效应,并对结果产生明显影响。本文设计的三级放大电路,它的一级电路结构为跨阻放大器,该结构不仅可以接收CMUT的输出信号,还可以避免电路的自激问题,并且能在满足高增益、宽频带的前提下,有效地改善拖尾现象,完善实验结果;二级反向放大器是对电路整体结构的补充,在只有一级放大的前提下,放大倍数不够,而二级反相放大器的设计也必须满足带宽以及噪声要求,尽量做到带宽比前一级高,同时具有低噪的效果;第三级是滤波器,目的是降低前两级电路结构的噪声以及来自外部设备的干扰。整个系统的框图如图2所示。2.1 一级跨阻放大器电路设计

由式(2)可以看出,反馈电阻的阻值即为跨阻放大器的放大倍数。电路的具体结构如图3所示,C1是隔离电容,隔离输入端的直流分量。R1是补偿电阻,其作用是保证运放的差分输入级的对称性,其阻值大小取决于等效反馈电阻的阻值。与R1并联的C2的作用是消除R1上的杂散噪声,从而降低整个电路结构的噪声。Cf作为反馈电容,其作用是进行相位补偿,防止电路发生自激,同时还可以通过引入极点的方式抑制高频噪声。VCC与VDD分别给芯片供正负电压。Rf1、Rf2与R2同时构成T型反馈网络[10],增加电路结构的稳定性。反馈电阻及输出电压的推导公式如下:

【参考文献】：
期刊论文
[1]电容式微机械超声换能器的信号调理电路设计[J]. 赵蕾,张文栋,何常德,张国军,焦新泉.  电测与仪表. 2017(07)
[2]基于交流电桥的动态微弱电容检测电路[J]. 廉德钦,何常德,苗静,杜春晖,宛克敬,薛晨阳.  电测与仪表. 2012(07)
[3]电容MEMS超声换能器研究进展[J]. 栾桂冬.  应用声学. 2012(04)
[4]声纳换能器的新进展[J]. 王炳辉,陈敬军.  声学技术. 2004(01)

硕士论文
[1]隧道式微加速度计信号处理电路的研究[D]. 陈静.中北大学 2008



本文编号：3352520