低噪声水声信号前置放大器设计

程华,陈科君,王旭光

(1.海鹰企业集团有限责任公司,江苏 无锡 214111;2.湖北大学人工智能学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

海洋对人类意义重大,有着丰富的水资源、生物资源以及矿产资源,世界各国对海洋的重视程度与日俱增。随着中国综合国力的不断提高,在海防力量上的不断加强,我国已经从过去的“重陆轻海”战略转向了“海陆统筹”战略,将海洋的发展与社会发展紧密联系在了一起。

声信号是目前人类所掌握的唯一能在海洋中实现远距离且可靠传播的信息载体,因此我们主要通过对水声信号的采集、处理和分析来探索揭示海洋的秘密[1]。水听器是获取水声信号的重要设备,其中压电型水听器凭借其技术成熟、性能稳定、能够耐受高静水压等特点,已广泛应用于水声通信、海洋环境监测、海底资源勘探以及海洋军事探测等诸多领域[2]。

1 电路结构和设计

前置放大器的电路基本结构如图1所示,由前级仪表放大电路,带通滤波电路和单端转差分电路三部分组成。水听器输出的微弱电信号首先被增益为20 dB的前级电路放大,以提高信噪比;然后经过带通滤波电路,滤除不需要的带外噪声信号,同时尽可能完整的保留需要分析的频带内信号;最后经转差分电路将单端信号转换为差分信号形式送入后端采集系统,差分信号具有抗共模干扰能力强、有利于长距离传输等优点,同时这一转换可以实现额外的6 dB信号增益。

图1 前置放大器电路结构框图

1.1 前级放大电路设计

根据计算多级级联电路总噪声系数的弗里斯公式可知:前级放大电路的噪声系数对整个前置放大器的总噪声系数影响最大,因此要求前级放大电路必须噪声小、增益稳定精确、抗干扰能力强。随着低噪声运算放大器技术的不断发展,直接选用低噪声运放芯片设计前级放大器成为一种趋势[6]。运放芯片根据功能划分有精密运算放大器、差分放大器、可控增益放大器、仪表放大器等类型,其中仪表放大器由于具有低直流偏移、低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗等特点,广泛用于需要精确性和稳定性非常高的工业、测量、数据采集和医疗等应用[7]。

通过对表1中所示的亚德诺半导体(ADI)公司推出的典型低噪声仪表放大器的性能参数进行比较,重点考虑低噪声、低功耗、高速、小体积的需求,最终选用AD8421芯片设计前级放大电路,其电路结构如图2所示。D1和D2为双向限幅保护二极管,C1、R1和C2、R2分别实现同相与反相输入端的阻抗匹配,同时起到对信号隔直的作用。与芯片2引脚和3引脚相连的电阻R是增益反馈电阻,通过调节该电阻的阻值,可实现不同的放大倍数。芯片的5引脚接负电源、8引脚接正电源供电,正负电源引脚又分别并联10 μF和0.01 μF电源滤波电容,可以消除可能由电源引入的工频噪声干扰[8]。芯片的7引脚为信号输出引脚,6引脚是基准电压引脚,在本设计中该引脚接地。

表1 ADI公司典型仪表放大器性能参数比较

图2 基于仪表运放的前级放大电路设计

根据芯片手册可知,反馈电阻与放大倍数的关系如下:

(1)

式中,G为电路放大倍数,R为反馈电阻阻值。由于本设计中前级放大为20 dB固定增益(10倍),可求得R=1.1 kΩ。

1.2 带通滤波电路设计

信号经前级放大之后,进入有源带通滤波电路,该电路的作用是使通带内的有用信号无衰减的通过进入下一级处理电路,而将噪声和干扰等不需要的信号滤除或者抑制。本设计中所需要的带通滤波器的带宽为100 Hz～20 kHz,属于宽带带通滤波器,因此采用高通滤波加低通滤波级联的方式实现。同时为了有效滤除主要集中在低频段的噪声以及50 Hz工频干扰,高通滤波部分设计为四阶以提高带外衰减特性,低通滤波部分为二阶,均采用正反馈型的Sallen-Key结构。该结构相比于负反馈型的Multiple Feedback结构具有增益稳定,外围阻容器件数量少,输入输出信号同相位,对运放带宽要求低,容易实现等优点[9]。图3所示为四阶Sallen-Key有源高通滤波器的电路结构,运算放大器芯片选用ADI公司的OP2177,该芯片是一款低噪声、低输入偏置电流的双通道运算放大器,非常适合精密有源滤波器应用。

图3 四阶Sallen-Key有源高通滤波器电路结构

上图中的高通滤波电路可看作由两级二阶高通滤波器级联而成,因此其传递函数为:

(2)

为减少阻容元件的种类,可令电路中的四个电容为相同容值。选择巴特沃斯型滤波器响应,高通截止频率fc=100 Hz处的衰减设为-0.5 dB,使用文献[10]中介绍的计算方法即可求出所用阻容值分别为:C1=C2=C3=C4=2.2 μF,R1=1.02 kΩ,R2=866 Ω,R3=2.49 kΩ,R4=360 Ω。设计时应适当增大电容值,使电阻值减小,从而降低电路热噪声。

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图4所示为二阶Sallen-Key有源低通滤波器的电路结构。

图4 二阶Sallen-Key有源低通滤波器电路结构

其传递函数为:

(3)

同样,令R1=R2=10 kΩ,根据低通截止频率fc=20 kHz,截止频率处的衰减-0.5 dB以及品质因数Q,即可求得C1=680 pF,C2=331 pF。

最后将高通滤波电路与低通滤波电路级联,使用Multisim软件仿真其频率响应,结果如图5所示。由仿真结果可看出,所设计的带通滤波电路通带内平坦,无明显起伏,在下限截止频率100 Hz处,衰减为-0.465 dB,在上限截止频率20 kHz处,衰减为-0.426 dB,均满足性能指标要求。

图5 带通滤波电路频率响应仿真结果

1.3 单端转差分电路设计

带通滤波电路的输出为单端模拟信号,在长距离传输过程中很容易受到干扰,而差分信号传输具有能有效抵抗外部共模干扰,抑制偶次谐波失真等特点,在信号的长距离传输中比单端信号形式更具有优势,因此本文中设计了单端转差分电路,使前置放大器的最终信号输出为差分形式。单端转差分电路的结构如图6所示,电阻R1和R2取相同阻值,R3为平衡电阻。该电路的OUT+输出端为输入直通信号,即同相输出端;OUT-输出端为输入信号经反相电路将相位反转180°之后的信号,即反相输出端。图7所示为Multisim仿真结果,图中上方曲线为正弦输入信号波形,下方曲线为幅度相同,相位反相的两路正弦输出信号波形,可见该电路可实现单端信号转差分信号的功能。

图6 单端转差分电路结构

图7 单端转差分电路正弦波形仿真结果

2 性能测试

依照上述电路结构对低噪声前置放大器进行PCB设计、焊接制作及性能测试,其中性能测试分为两部分:首先单独对制作的前置放大器进行指标测试,并与仿真结果进行对比,检验是否实现设计目标;然后将前置放大器与某型压电水听器连接进行整体测试,验证其实际应用于水听器后对水声信号的调理效果。

2.1 PCB设计与实物制作

由于前置放大器需要灌封到水听器中工作,而水听器陶瓷管内部空间狭小,因此要求前置放大器PCB体积必须尽可能小型化。为了实现这一目标,本设计中所使用的运放芯片均选择MSOP小尺寸封装,阻容选择0402或者0603封装。最终设计完成的PCB如图8所示,其长度为40 mm,宽度为14 mm。焊接完成的前置放大器实物如图9所示,左侧为信号输入端,右侧为供电和信号输出端。

图8 前置放大器PCB设计

图9 制作完成的前置放大器实物

2.2 前置放大器单板性能测试

单独对制作完成的前置放大器进行性能指标测试,包括幅频响应、输出直流偏移、短路等效输入噪声和静态功耗。

使用信号发生器产生峰峰值为100 mVpp的标准正弦波信号,接入前置放大器的输入端,在50 Hz～40 kHz频带内对前置放大器进行扫频测试,通过示波器观察输出信号波形的同时,用六位半数字交流毫伏表测量各频点的单端输出电压峰峰值与直流偏移,测试结果如表2所示。图10中给出了1 kHz频点下的输入与输出波形,可见同相与反相输出端分别实现了20 dB的信号放大,且输出波形平滑,无明显失真,两路输出信号相位相差180°。

表2 前置放大器幅频响应测试结果

图10 前置放大器输入输出信号比较

由上表数据可知:在100 Hz～20 kHz的工作频带内,前置放大器的单端增益为20 dB(差分增益为26 dB),输入信号在截止频率100 Hz时,输出信号的衰减为-0.5 dB,在截止频率20 kHz时,输出信号的衰减为-0.4 dB,通带内幅频响应平坦度小于0.5 dB,幅频特性响应与仿真结果基本保持一致,满足设计要求。

短路等效输入噪声测试是将前置放大器的输入端短接到地,输出端接测试用1 000倍放大工具板,用六位半数字交流毫伏表测量工具板的输出信号有效值,然后折算成前置放大器的短路等效输入噪声,测试结果如表3所示。

表3 前置放大器短路等效输入噪声测试结果

将前置放大器的输入端短接到地,在±5 V电源供电的条件下,使用六位半数字毫伏表测量供电电流,并计算静态功耗,结果如表4所示。

表4 前置放大器静态功耗测试结果

2.3 水听器匹配测试

最后将制作完成的前置放大器与某型号压电陶瓷圆管水听器连接,采用振动液柱法进行低频段内的灵敏度测试,测量频点为100 Hz、200 Hz、500 Hz和1 kHz。测试设备及环境如图11所示,分别将水听器输出信号的正负极接入BK2650仪表级放大器与本设计的前置放大器,将BK2650增益设置为零。在两种调理方式下对比所测水听器灵敏度的差异,该差异值即反映前置放大器对水听器输出信号的增益能力。

图11 水听器振动液柱测量设备

水听器灵敏度测试结果如表5所示,可见前置放大器对水听器声信号频响的实测增益与表2中对标准信号源信号的增益较为一致,验证了前置放大器驱动实际水听器负载的能力。

表5 水听器灵敏度测试结果

3 结论

针对压电型水听器微弱水声信号调理的需求,本文中基于AD8421仪表运放和OP2177精密运放设计了一款低噪声前置放大器。实物测试结果表明,该电路驱动实际水听器负载的能力良好,在100 Hz～20 kHz工作带宽内可实现26 dB差分输出增益,信号无失真,幅频响应平坦,且具有低噪声、低功耗的特点,达到了设计要求,在各型压电水听器以及水声信号采集系统中有非常广泛的应用前景。