一種低頻矢量水聽器內嵌式電荷放大器

方爾正, 張智強, 李媛, 王歡, 李宗儒

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術全國重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.海洋信息獲取與安全工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工程大學) ,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

目前應用最廣泛的矢量水聽器是一種新概念傳感器,其具備一定的低頻探測能力。矢量水聽器由聲壓和振速環節復合而成,聲壓部分大多采用壓電式結構,一般由敏感元件、輔助結構以及電纜組成,然后封裝于透聲性能良好的橡膠或聚氨酯材料中。由于壓電式傳感器輸出阻抗高,因此需要放大器作好匹配。

在水聽器測量系統中,電壓放大器易受電纜電容影響,而電荷放大器靈敏度與電容量無關,通常用作轉換電路[1],適用于長距離沖擊和振動的測量,而這與水聽器使用環境相符合。

常見的電荷-電壓轉換技術使用了集成運放和反饋電容等。但集成運放對反饋電容等電子元件的精度要求很高且反饋電容難以集成[2];同時傳統電路至少需要供電線、信號線以及地線單獨走線,走線復雜且易受電磁干擾。因此需要設計一種可以集成的壓電傳感器內置電路,也稱壓電集成電路。

IEPE電路自帶電荷放大或電壓放大功能[3],集成了調理電路,電路輸入端與敏感元件相連,系統通常由4 mA恒流源供電并將敏感元件輸出的電荷信號轉換為電壓信號,電路輸出端信號線與電源線共線,實現了將敏感元件與電荷放大電路集成于一體的目的,此外傳感器外殼可以抑制電路電磁干擾[4],提高測量精度和可靠性。

在水聲工程實踐中,水下目標的輻射噪聲主要能量集中在2 Hz～10 kHz內[5],在較遠距離上,如100～1 000 m時,聲源級SL=120 dB的目標經過傳播到達水聽器表面后的聲壓級為60～80 dB,若水聽器靈敏度為-180 dB,則聲電轉化的電壓范圍是1～10 μV,為使該信號足以驅動電纜,以便作為第二級放大的輸入,可將其前置放大10倍處理,因此放大電路放大倍數可設計為10倍。

同時該電路頻率應在2 Hz～20 kHz的內具有良好的頻率響應,以滿足水下輻射噪聲的主要頻率范圍。

1 基本原理

1.1 傳統水聽器測量原理

對于一般水聽器,當傳感器內壓電片感知到應變后,產生的輸出電荷很小,信號往往掩埋在各種噪聲中[6],無法使用數字采樣系統直接測得電荷量。另一方面,由于一般電路輸入阻抗很小,壓電片上的電荷會被輸入電阻泄露,無法通過常規電路進行測量,因此需要將此電荷信號轉化為電壓信號并經電纜傳送至殼體結構內部的放大、濾波電路,再經過調理電路后輸出,得到最終的輸出信號。因此信號要經過一定長度的電纜才可以輸入到后續電路中,該信號易受電纜電容以及環境電磁干擾等影響。同時連接傳感器和后續電路的電纜至少需要電源線、地線和信號線,不利于傳感器的集成化。

為了減小傳輸電纜的影響,可以將電壓放大電路替換為電荷放大電路,電路前端與敏感元件相連,輸出信號與電源線共線,如圖1所示。

IEPE電路的主要部分即電荷放大電路,該電路的主要作用是將傳感器輸入的電荷信號轉化為方便后續電路測量的電壓信號[7],同時也可以在保證一定帶寬的條件下,實現一定倍數的放大作用[8]。

目前最常見的電荷放大器主要是由運算放大器和由反饋電容C與反饋電阻R組成的深度負反饋高增益放大電路,當開環增益足夠高時,電荷放大器的輸出端電壓可以表示為:

Uo=-Q/C

(1)

式中Q為輸入電荷量。

因此,纜線長度和壓電陶瓷自身的電容幾乎可以忽略,Uo僅由輸入端電荷Q和電容C決定,這是電荷放大器最明顯的特點。

1.2 電路設計

該設計電路所用的元器件多為電容、電阻、三極管等分立元件,不僅體積小、易于集成,且可以實現信號與電源共線。所設計的放大電路如圖2。

圖2 電荷放大器原理Fig.2 Schematic diagram of charge amplifier

電荷放大器不僅可以將輸入的電荷信號轉化為電壓信號,還可以同時將其放大若干倍。但這種放大并沒有將電荷放大,只是將阻抗較高的電荷源轉化為低阻抗的電壓源[9]。該電路主要包括結型場效應管部分和雙極結型三極管部分,場效應管和晶體管的特征頻率高,因此電路的頻帶較寬[10]。

該電路采用24 V,4 mA恒流源供電,通過合理選擇電阻阻值可以將輸出偏置電壓控制在合適的范圍,本文設計輸出偏置為7 V左右。

電路中反饋電容為Cf。電阻Rg為反饋電阻,Rg的阻值很大,可以為JFET提供負柵壓偏置,用來泄漏掉場效應管FET的柵極電流,也可以降低偏置電阻噪聲[11],電路的輸入阻抗主要也是由該電阻決定的。電荷流經電阻Rg產生的電壓通過場效應管JFET實現小信號壓控電流變化,同時實現阻抗變換。根據信號源的阻抗大小,本文中Rg采用阻值為1 M的電阻。Rg和Cf共同決定了該放大電路的時間常數,也即決定了頻帶的低頻截止頻率,時間常數越大,低頻截止頻率越小。Cpe為壓電陶瓷片自帶等效電容。

場效應管JFET可以為電路提供高輸入阻抗,實現電路的阻抗變換,PNP晶體管可以減小電路的輸出阻抗,提高電路帶負載能力,也可以實現電源線與信號線共線傳輸。

1.3 微變等效電路

由于該電路使用的頻率范圍為幾赫茲到幾十赫茲,因此需使用混合π模型畫微變等效電路,完整的微變等效電路如圖3所示。

圖3 完整的混合π模型Fig.3 Complete mixed π model

對此等效電路進行如下簡化:

1)對于三極管。

通常情況下,Rce遠大于C-E之間接的負載電路,Rb′c也遠大于Cb′c′的容抗,因而可以認為Rce和Rb′c開路。

在圖3中,從B′看進去Cb′e′中流過的電流為:

(2)

(3)

在近似計算時即有:

(4)

(5)

則此時有:

(6)

(7)

(8)

2)對于場效應管。

一般情況下,Rgs比外接電阻大得多,因此在近似分析時可認為是開路的。

(9)

(10)

(11)

綜上可得簡化后的混合π模型如圖4。

圖4 簡化后的混合π模型Fig.4 Simplified mixed π model

1.4 頻率響應計算

1.4.1 下限截止頻率計算

(12)

(13)

而JFET的漏源電壓放大倍數等于漏極輸出電壓變化量與柵級輸入電壓變化量之比,即:

(14)

而在該電路中,通過合理選擇電阻R1和R2,可以使場效應管盡量工作在線性區,輸出信號不失真。

假設時刻t1JFET柵極電壓為Vg1,漏極電流為id1,柵源電壓為Vgs1,根據圖4的簡化混合π模型可知:

Vgs1=Vg1-Vs1=Vg1-id1R2

(15)

即:

(16)

結合實際場效應管id-Vgs特性曲線,可以得到此時的Vgs1和id1。再根據此時的Vgs1和id1,結合場效應管實際id-Vds特性曲線,可以得到此時的漏源電壓Vds1。如圖5所示。

圖5 JEFT特性曲線Fig.5 JEFT characteristic curve

則此時Vg1為:

Vg1=Vs1+Vgs1=id1R2+Vgs1

(17)

同理可得當t2時刻有:

Vg2=Vs2+Vgs2=id2R2+Vgs2

(18)

因此,在t1-t2時間段內,JFET柵極電壓差為:

ΔVg=(id2-id1)R2+Vgs2-Vgs1

(19)

漏極輸出電壓差為:

ΔVd=(id2-id1)R2+Vds2-Vds1

(20)

此時可得漏極電壓與柵極電壓放大倍數為:

(21)

因為實際傳感器輸入信號為小信號,因此Vgs變化很小,在id-Vgs輸入特性曲線上動態范圍很小,可近似為線性。假設輸入為零,即靜態工作點處曲線斜率為gm,也即此時場效應管的導納,輸入小信號后也可用此gm近似替代曲線斜率。即有:

(22)

理論靜態工作點VgsQ的值可由式(23)及數據手冊得出:

VgsQ=-VsQ=-idQR2

(23)

在id-Vds輸出特性曲線上,由于輸入信號為小信號,同樣可選擇Vgs等于靜態工作點VgsQ時對應的曲線,并假設工作范圍內近似為線性,此時場效應管漏源電阻為Rds,即:

(24)

將式(22)、(24)代入式(21)可得:

(25)

根據數據手冊中輸入特性曲線以及所選取R2的值可知,gmR2+1可近似為gmR2,此時放大倍數即:

(26)

(27)

1.4.2 上限截止頻率計算

(28)

(29)

由此可得高頻截止頻率表達式為:

(30)

(31)

式(31)即最終高頻截止頻率近似計算公式。

1.5 電路增益

由于電路輸入端和輸出端電荷量相同,因此該電路的輸出端與輸入端電壓比同Cf與Cpe的比互為倒數,即該電路理論放大倍數為:

A=Cpe/Cf

(32)

本設計中電容Cpe的值約為10 nF,Cf取值為1 nF。由式(32)可計算得此時電路放大倍數應為10倍。

2 仿真與分析

2.1 器件選擇

JFET具有高輸入阻抗,低1/f噪聲的特性用于匹配壓電變換器的高輸出阻抗,且在一定頻帶內頻率響應較好[12],可以采用2N4338、BFW13、2SK170等,本文設計中采用2SK170結型場效應管,可以實現自偏壓設計。該管柵源之間的電阻可高達107Ω到1012Ω,當VGS=-30 mV,IGSS(max)=-1 nA,適用于放大電路的第1級。在柵源電壓為10 V,漏源電壓為0 V時,轉移導納為22 mS,即gm=22 mS。其擊穿電壓也較高,約為VGDS=-40 V,同時該場效應管可運用在-55～125 ℃的環境下,因此選用該JFET。

其輸入電容Ciss在VDS=10 V,VGS=0,f=1.0 MHz時約為30 pF,即Ciss=Cgs+Cgd=30 pF。反饋電容Crss在VDG=10 V,ID=0,f=1.0 MHz時約為6 pF,即Crss=Cgd=6 pF。根據以上數據可以得出,Cgd=6 pF,Cgs=24 pF。

BJT的輸出阻抗很低,因此可以使有用信號最大限度地傳輸至后續電路。此電路中選用的型號為2N3906,該三極管為PNP晶體管,在IC=-1.0 mA,IB=0時集電極-發射級擊穿電壓為40 V,IC=1.0 mA,VCE=1.0 V時,其直流電流增益在至少為80。在IC=1.0 mA,VCE=10 V,f=1.0 kHz時小信號電流增益為100～400。在IC=10 mA,VCE=20 V,f=100 MHz下增益帶寬積測試為250 MHz。在IE=0 mA,VCB=5.0 V,f=1.0 MHz時輸出電容為最大4.5 pF,在IC=0 mA,VEB=0.5 V,f=1.0 MHz時輸入電容為最大10 pF,可以滿足電路使用要求。

2.2 輸入輸出波形仿真

其中交流信號源與電容組合可以模擬壓電陶瓷受壓后產生電荷的過程。由于信號發生器最小輸出為1 mV,因此后續仿真及測試輸入均選用1 mV。即峰峰值為2 mV。設頻率為400 Hz,由于放大倍數為10,可得輸出信號理論值為20 mV。仿真后輸入輸出波形如圖6所示。

圖6 Multisim仿真Fig.6 Multisim simulation

由圖6可以看出,仿真結果與理論計算值符合,輸出信號峰峰值約為20 mV。

2.3 頻率特性仿真

Multisim也可以對電路進行頻率響應仿真,包括幅頻響應和相頻響應。由于帶寬是電路設計的重要指標之一,且根據增益帶寬積為一常數,因此需合理選擇電容Cf的值。當Cf采用1 nF時,對電路的幅頻響應進行仿真,得仿真結果如圖7與圖8。

圖7 低頻轉折頻率Fig.7 Low frequency response characteristics

圖8 高頻轉折頻率Fig.8 High frequency response characteristics

根據圖7及圖8所示的仿真結果,可以看出該電路最大增益為19.3 dB,增益下降3 dB時,低頻轉折頻率約0.9 Hz,高頻轉折頻率為78.8 kHz。

3 測試

3.1 實際輸出信號波形測試

按照所設計的電路制作PCB后,電路板大小約為1 cm×1 cm,將各元器件焊接好,實物圖如圖9。實驗室測試環境如圖10所示。

圖9 電路實物Fig.9 Circuit diagram

圖10 測試環境Fig.10 Test environment

測試時給輸入信號峰峰值為2 mV,頻率分別為0.002、0.005、0.096、1、20 kHz時分別得到輸出信號波形如圖11所示。

圖11 不同頻率下放大電路輸出波形Fig.11 Output waveform of amplifier circuit at different frequencies

根據實測數據得到示波器讀到的峰峰值及輸出偏置電壓如表1所示。

表1 不同頻率下電路輸出參數Table 1 Circuit output parameters at different frequencies

3.2 頻率響應特性測試

改變輸入信號的頻率,得到測試電路的頻率響應如圖12所示。

圖12 電路頻率特性Fig.12 Circuit frequency characteristics

可以看到該電路實際增益約21 dB,高頻下降3 dB轉折點處頻率約為fH=104.9、 Hz=79.4 kHz,低頻下降3 dB轉折點為fL=100.117、 Hz=1.3Hz。因此可以滿足一般水聽器的使用范圍。

3.3 電路穩定性測試

將輸入信號設置為峰峰值2 mV,頻率為1 kHz,可得輸出峰峰值為22.7 mV,將電路連續工作48 h后,輸出峰峰值為22.5 mV,偏差只有0.2 mV,由此可以認為該電路具有一定的穩定性。

3.4 線性度測試

將輸入信號頻率設置為10 kHz,改變輸入峰峰值得到相應輸出信號峰峰值,可繪制如圖13的輸入輸出幅度曲線。

圖13 輸入輸出幅度曲線Fig.13 input and output fitting curve

線性度δL又稱為非線性誤差,用特性曲線與其規定的擬合曲線之間的最大偏差ΔMmax與電路最大輸出值ymax的百分數來表示:

(33)

進過數據對比可得,輸入電壓峰峰值為100 mV時,特性曲線與擬合曲線的偏差最大,最大為ΔMmax=5.5 mV,而ymax=900 mV,代入式(33)可得δL=0.6%。

4 結論

本文設計的一種用于低頻水聽器的內嵌式電荷放大器,通過分立元件可以使水聽器的放大電路內嵌于水聽器中。該電路具有以下優勢:1)電路采用24 V,4 mA電流源供電,電源線與信號輸出線共用一根線,一方面減少了電路外圍設備的使用,另一方面降低了因導線的存在而對電荷放大器的輸出信號產生的影響;2)電路輸入阻抗高,輸出阻抗小,更好地解決了壓電式結構的水聽器輸出阻抗高的問題;3)電路使用的電子元件數目較其他形式電路少,因此成本更低。通過仿真、測試可知,該電路可以滿足一般水聽器的使用要求,該設計具有一定的使用價值。