電磁超聲換能器的前置放大電路設(shè)計(jì)

0 引言

在無(wú)損檢測(cè)中，EMAT因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但經(jīng)EMAT接受線圈接受到的信號(hào)通常很微弱，信號(hào)幅值小，一般只有幾十μV到幾百μV，并且對(duì)周圍環(huán)境噪聲敏感度高，接收信號(hào)常被淹沒(méi)在噪聲中，輻射模式較寬，能量不集中。為了得到適合顯示觀察的水平，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，以減少噪聲和干擾。為了避免EMAT的接收系統(tǒng)放大倍數(shù)過(guò)大引起信號(hào)失真和自激的現(xiàn)象，通常采用多級(jí)放大。主要包括前置放大器、濾波器、主放大器，以及用于在數(shù)字設(shè)備中的A／D轉(zhuǎn)換電路等。為了得到更好的結(jié)果，前置放大器自然起著至關(guān)重要的作用。應(yīng)用專業(yè)的EDA軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，能夠更迅速準(zhǔn)確地分析電路性能，從而選出性能較好更適合需要的電路，本文設(shè)計(jì)了2種前置放大器，并且利用Multisim10仿真軟件對(duì)這2種電路進(jìn)行了仿真比較。

1 前置放大器

1．1 用NJM4580設(shè)計(jì)的放大器

在第一種電路設(shè)計(jì)中，選用NJM4580運(yùn)算放大器，該放大器是日本新無(wú)線公司生產(chǎn)的雙路運(yùn)算放大器，具有無(wú)噪聲、更高的增益帶寬、高輸入電流和低失真度，不僅適用于音響前置放大器的音響電子部分和有源濾波器，還適用于手工測(cè)量工具等。

NJM4580的主要特點(diǎn)是：工作電壓為±5～±18 V；低輸入噪聲電壓為0．8μV；增益帶寬為15 MHz；低失真為0．005％；轉(zhuǎn)換速率為5V／μV；采用雙極技術(shù)。應(yīng)用NJM4580設(shè)計(jì)的放大器電路如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用NJM4580，主要是在差分放大電路設(shè)計(jì)部分保持信號(hào)的帶寬，使其不失真。采用3個(gè)運(yùn)算放大器排成2級(jí)，由運(yùn)放U1A，U2A按通向輸入接法組成第1級(jí)差分放大電路，運(yùn)放U3A組成第2級(jí)差分放大電路。在第1級(jí)電路中，信號(hào)源加到U1A的同相端，R6和R3，R4組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了負(fù)反饋。

為了使電路對(duì)稱，提高儀用放大器性能，選取的電阻應(yīng)滿足R3=R4關(guān)系，參數(shù)嚴(yán)格匹配，誤差控制在很小范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終得到輸出電壓的關(guān)系如式(1)：

從式(2)中可直觀看到，根據(jù)選取R5／R1和R3／R6電阻的比例關(guān)系，達(dá)到不同信號(hào)放大比例的要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一?？紤]到電路的穩(wěn)定和安全，固定R1～R5，R7，R8的阻值，都選精確的10kΩ電阻，只將R6設(shè)置成可調(diào)，隨著R6的減小，放大倍數(shù)越大，帶寬越窄。所以設(shè)計(jì)時(shí)確定R6為2 kΩ。該放大電路是級(jí)聯(lián)放大電路，為前級(jí)放大，而后級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路則由2個(gè)741級(jí)聯(lián)構(gòu)成，共同組成一個(gè)完整的信號(hào)接收端的前置放大電路。

1．2 應(yīng)用AD620設(shè)計(jì)的放大器

在進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)中，為了減少集成運(yùn)算放大器對(duì)電路的干擾，應(yīng)選擇接近理想運(yùn)算放大器的芯片。要求具有較小的輸入偏執(zhí)電流、輸入偏執(zhí)電壓和零漂，具有較大的共模抑制比和輸入電阻。因此，在另一種電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)用AD620對(duì)第一種電路進(jìn)行改進(jìn)。AD620是AD公司生產(chǎn)的高精度單片儀表運(yùn)放，它擁有差分式結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大，而且AD620具有很好的直流和交流特性，更有低功耗、高輸入阻抗、低輸入失調(diào)電壓、高共模抑制比等優(yōu)點(diǎn)，其外部電路連接方便簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)連接于1，8腳的外接電阻就可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。增益G=49．4 kΩ／RG+1。其中：RG為1和8腳連接的外電阻。AD620主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：帶寬800 MHz，輸出功率24 mW；功率增益120 dB；工作電壓±15 V；靜態(tài)功耗0．48 mW；輸入失調(diào)電壓≤60μV；轉(zhuǎn)換速率1．2 V／μs；最大工作電流1．3 mA；輸入失調(diào)電壓5μV；輸入失調(diào)漂移最大為1μV／℃；共模抑制比93 dB。應(yīng)用AD620設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。

2 采用Multisim 10軟件仿真

2．1 軟件介紹

Multisim 10是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument，NI公司)推出的，相對(duì)于Multisim 10的仿真軟件，它具備更加形象直觀人性化的特點(diǎn)，提供了16 000多個(gè)高品質(zhì)的模擬、數(shù)字元器件；各種分析方法(直流掃描分析，參數(shù)掃描分析等)；電壓表、電流表和多臺(tái)儀器(數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等)。該軟件大多數(shù)采用的是實(shí)際模型，保證了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)用性。應(yīng)用Multisim 10可以進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合以及射頻電路的仿真。其中，它的高頻仿真和涉及環(huán)境是眾多通用仿真電路軟件中所不具備的。本文設(shè)計(jì)的是μV級(jí)的電壓信號(hào)放大。采用了2種方案，通過(guò)Multisim 10的仿真來(lái)對(duì)這兩種電路性能進(jìn)行比較。

2．2 仿真比較

(1)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置。在軟件中打開信號(hào)發(fā)生器，因本文使用的信號(hào)頻率范圍一般為25 kHz～1 MHz，為了模擬傳感器接收到的信號(hào)，在此范圍中，選取輸入信號(hào)頻率為100 kHz，幅度為100μF的正弦波信號(hào)來(lái)做分析比較，函數(shù)發(fā)生器設(shè)置如圖3所示。

(2)電路的幅頻特性仿真與比較。應(yīng)用此軟件中的波特圖儀(Bode Plotter)對(duì)兩電路的幅頻特性進(jìn)行仿真比較，設(shè)置的觀察頻率范圍是25 kHz～1 MHz，結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)波特圖可以直接觀察出當(dāng)輸入信號(hào)頻率為25 kHz時(shí)，兩電路的增益分別為85 dB和98 dB。比較可以得出，應(yīng)用AD620改進(jìn)電路的放大效果較好。通過(guò)移動(dòng)波特圖儀的光標(biāo)柱可以觀察2個(gè)電路在其他頻率時(shí)的放大增益。將光標(biāo)注移動(dòng)到100kHz，可以直接觀察到此頻率下兩電路的增益分別為60dB和72dB。

以此類推，通過(guò)移動(dòng)光標(biāo)柱可以獲得輸入信號(hào)為其他頻率時(shí)的兩電路增益，不同輸入信號(hào)頻率下的增益如表1所示。通過(guò)比較可知，應(yīng)用AD620電路的增益高于應(yīng)用NJM4580電路的增益。

(3)輸出信號(hào)波形的比較。在軟件打開示波器，在示波器中進(jìn)行設(shè)置，紅色表示輸入信號(hào)，綠色表示放大后的輸出信號(hào)。選取頻率100 kHz，幅度100μV的信號(hào)，經(jīng)電路放大，分別得出輸出波形如圖6所示。通過(guò)Multisim 10仿真可以很清晰地看出兩電路的輸出波形。為了便于對(duì)波形進(jìn)行觀察，將Channel A(輸入信號(hào)通道)設(shè)置為100μV／Div，圖6(a)的Channel B(輸出信號(hào)通道)設(shè)置為100 mV／Div，圖6(b)的Chann el B(輸出信號(hào)通道)設(shè)置為500 mV。從波形圖可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)均為100μF時(shí)，兩電路輸出的信號(hào)大小分別為100 mV和380 mV，很顯然，應(yīng)用AD620的改進(jìn)電路二，放大倍數(shù)更大。通過(guò)此方法，可以對(duì)輸入信號(hào)為其他頻率時(shí)的輸出波形進(jìn)行比較。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)輸入信號(hào)為微幅級(jí)的信號(hào)，用NJM4580運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了與741共同構(gòu)成的級(jí)聯(lián)放大電路，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用AD620對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到更加優(yōu)良的性能；利用Multisim 10對(duì)設(shè)計(jì)的2個(gè)放大電路進(jìn)行仿真、比較，從而驗(yàn)證了應(yīng)用AD620的放大電路不僅電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且在放大性能上更加優(yōu)于應(yīng)用NJM4580運(yùn)算放大器構(gòu)成的差分級(jí)聯(lián)放大電路。