管　玲，　王　旭

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075）

聚偏氟乙烯壓電薄膜換能器前置放大模塊設(shè)計(jì)

管玲，王旭

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075）

基于前置放大模塊的噪聲特性直接影響聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜換能器的接收性能， 根據(jù)PVDF壓電薄膜換能器的特點(diǎn)， 采用模擬信號(hào)處理中抑制噪聲的關(guān)鍵技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)與之配套的前置放大模塊的設(shè)計(jì)， 總結(jié)了前置放大模塊的設(shè)計(jì)要素， 利用Multisim 12對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真， 并對(duì)該模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模塊輸入噪聲不大于-130 dBHz， 可滿(mǎn)足水聲信號(hào)處理設(shè)備的使用需求。

聚偏氟乙烯壓電薄膜； 換能器； 前置放大模塊； 水聲信號(hào)處理

0　引言

水聲換能器是水聲信號(hào)處理設(shè)備的核心部件，目前常用的水聲換能器為壓電陶瓷換能器。聚偏氟乙烯（polyvinylidence fluoride， PVDF）壓電薄膜是一種新型的高分子物性型傳感材料［1］， 與壓電陶瓷相比， PVDF 具有優(yōu)良的柔軟性、壓電效應(yīng)和熱釋電性， 還具有輕薄、高韌度、靈敏度高、聲學(xué)阻抗低、容易固定在復(fù)雜的表面、價(jià)格便宜及頻帶寬等特點(diǎn)， 有很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性［2］，所以， 它很適合作為水聲換能器的材料。與常用的壓電陶瓷接收換能器相比， PVDF壓電薄膜換能器是一低容性器件， 阻抗極高（106?）。其前置放大電路通常為電荷放大電路， 可將PVDF壓電薄膜換能器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出， 同時(shí)也可放大水聲換能器所輸出的微弱信號(hào)［2］。

由電荷放大器構(gòu)成的前置放大電路通常采用高輸入阻抗、低噪聲、低偏移寬帶精密運(yùn)算放大器， 故其輸入噪聲特性與所用運(yùn)算放大器的輸入噪聲特性有密切關(guān)系。ADI公司生產(chǎn)的AD8601具有低偏置電流、低偏置電壓、8 MHz的帶寬以及高增益特性， 符合設(shè)計(jì)所需參數(shù)要求［3］。采用AD公司生產(chǎn)的放大器AD8601構(gòu)成的前置放大模塊， 折合輸入噪聲不大于-130 dB/Hz， 可以滿(mǎn)足水聲信號(hào)處理設(shè)備的使用需求。

1　電路基本結(jié)構(gòu)

在水聲信號(hào)處理設(shè)備中， PVDF壓電薄膜換能器的應(yīng)用主要是接收水聲場(chǎng)微弱信號(hào)。前置放大模塊將PVDF壓電薄膜換能器輸出的微弱信號(hào)放大成幅度較大的信號(hào)， 其放大倍數(shù)的確定以水聲信號(hào)處理設(shè)備所接收的最大信號(hào)不被限幅為限。前級(jí)放大后的信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波處理， 送入后級(jí)電路進(jìn)行進(jìn)一步的放大、動(dòng)態(tài)壓縮、濾波等處理， 以便滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求。

單個(gè)前置放大模塊的電路基本組成如圖1所示。

圖1　前置放大模塊組成框圖Fig. 1　Block diagram of preamplifier module

2　設(shè)計(jì)要素

2.1前級(jí)放大

前級(jí)放大位于前置放大模塊的最前級(jí)， 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮： 1） 將換能器所接收的微弱信號(hào)無(wú)失真放大； 2） 輸入阻抗； 3） 輸入噪聲。

這里， 輸入阻抗和輸入噪聲十分重要， 其決定了前級(jí)放大是否會(huì)降低PVDF壓電薄膜換能器輸出信號(hào)的信噪比， 直接影響水聲信號(hào)處理設(shè)備的信號(hào)檢測(cè)能力。

2.1.1輸入阻抗

輸入阻抗主要考慮以下2個(gè)問(wèn)題。

1） 阻抗匹配。要能夠無(wú)損失地獲取換能器的輸出信號(hào)， 并且盡量減少前置放大模塊內(nèi)部發(fā)生的噪聲， 提高該信號(hào)與前置放大模塊產(chǎn)生的噪聲比值， 需要提高前級(jí)放大的輸入阻抗， 使它比換能器阻抗高很多。

2） 熱噪聲。電阻產(chǎn)生的熱噪聲由電阻內(nèi)的電子熱擾亂（布朗運(yùn)動(dòng)）引起， 電阻值越大， 熱噪聲也就越大。

2.1.2輸入噪聲

要想控制輸入噪聲就需要知道輸入噪聲的來(lái)源， 前級(jí)放大電路的噪聲來(lái)源主要基于以下5個(gè)因素： 1） 換能器內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲； 2） 決定增益的合成電阻值產(chǎn)生的熱噪聲； 3） 運(yùn)算放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲即等效輸入噪聲電壓； 4） 運(yùn)算放大器輸入端的噪聲電流流過(guò)信號(hào)源電阻形成的噪聲； 5）運(yùn)算放大器輸入端的噪聲電流流過(guò)決定增益的電阻形成的噪聲。

換能器內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲由所使用的水聲換能器決定， 這種噪聲無(wú)法左右， 暫不考慮。

決定增益的合成電阻包括運(yùn)算放大器輸入端電阻和反饋電阻， 為了保證一定的放大倍數(shù)， 運(yùn)算放大器輸入端電阻遠(yuǎn)小于反饋電阻， 兩者為并聯(lián)關(guān)系， 故這一部分噪聲主要由運(yùn)算放大器輸入電阻決定。運(yùn)算放大器輸入電阻越小， 噪聲越低。但不能太小， 其下限必須遠(yuǎn)大于印制電路板銅箔的電阻值， 保證印制電路板銅箔的電阻值忽略不計(jì)。

上述5個(gè)因素中的3）～5）均由所選擇的運(yùn)算放大器的輸入噪聲電壓和輸入噪聲電流特性決定。

2.2濾波

前置放大模塊力求低噪聲的同時(shí)希望電路盡可能地簡(jiǎn)潔。水聲信號(hào)處理設(shè)備中常存在低頻噪聲干擾， 為了濾除這一部分干擾， 前置放大模塊常采用低階高通濾波器。

低階高通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)， 除了需要考慮濾波器本身的濾波特性外， 還需要綜合考慮濾波器前端前級(jí)放大的驅(qū)動(dòng)能力。其關(guān)鍵參數(shù)有： 1） 折合到輸入端噪聲； 2） 截止頻率； 3） 阻帶衰減量； 4）過(guò)渡段衰減量； 5） 不同頻率信號(hào)通過(guò)濾波器造成的相位差。

目前， 濾波器的實(shí)現(xiàn)有2種方式： 一用運(yùn)放、電阻和電容搭建； 二選用集成的芯片。雖然第1種方式受分離元件的精度和環(huán)境溫度影響， 濾波精度很難提高， 但電路參數(shù)可以根據(jù)濾波器的指標(biāo)自由設(shè)計(jì)； 第2種方式由于集成度的增加， 電路的可靠性和精度也得到了提高， 但濾波器的指標(biāo)如折合到輸入端噪聲則會(huì)受到現(xiàn)有芯片技術(shù)水平的限制。

2.3二次電源

為了達(dá)到前置放大模塊的各項(xiàng)指標(biāo)， 對(duì)供電電源的處理原則如下： 1） 穩(wěn)定提供運(yùn)算放大器所需最小限度的電源電壓； 2） 電源噪聲大小直接影響放大電路的輸出噪聲； 3） 輸入、輸出動(dòng)態(tài)范圍決定工作時(shí)電源電壓最小值。

3　電路設(shè)計(jì)

3.1薄膜特性分析

PVDF 壓電薄膜上下表面均鍍有電極， 電極上下表面可聚集不同極性的正、負(fù)電荷， 可用電容器模型來(lái)等效。所以， PVDF薄膜換能器的等效電路模型是一個(gè)和容性阻抗并聯(lián)的電荷源等效電路（見(jiàn)圖2）［4］， 或者是一個(gè)和容性串聯(lián)的電壓等效電路（見(jiàn)圖3）。

圖2　電荷源等效電路示意圖Fig. 2　Schematic of equivalent circuit of charge source

圖3　電壓源等效電路示意圖Fig. 3　Schematic of equivalent circuit of voltage source

由圖2、圖3可以看出， 這樣的等效電路阻抗非常高， 且呈容性， 輸出電壓很微弱。

3.2前級(jí)放大設(shè)計(jì)

電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷量呈正比， 具有反饋電容的高增益放大電路。如圖4所示。

圖4　前級(jí)放大電路Fig. 4　Front-stage amplifying circuit

為了與上述PVDF壓電薄膜換能器帶來(lái)的特性進(jìn)行阻抗匹配， 要求前級(jí)放大電路輸入阻抗也要很高。電路中， R2決定了放大電路的輸入阻抗，為了保證換能器接收的信號(hào)能量無(wú)任何損失， 與約20 pF的低容性PVDF換能器匹配時(shí)， R2的取值應(yīng)為5～10 M?。

電路采用的電容反饋， 會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移較大，為了使電荷放大器穩(wěn)定工作， 在反饋電容C3上并聯(lián)了一個(gè)反饋電阻R4。該電路中， R3， R4， C3值的大小和精度決定了電路的增益及相位特性。

3.3濾波設(shè)計(jì)

眾所周知， 濾波器的幅頻特性與階數(shù)有關(guān)，階數(shù)越高特性越好， 但電路就越復(fù)雜。受前置放大模塊體積和噪聲特性限制， 本設(shè)計(jì)采用AD8599公司生產(chǎn)的雙運(yùn)算放大器AD8599構(gòu)建4階高通濾波器， 濾波頻率約10 kHz， 如圖5所示。

3.4二次電源設(shè)計(jì)

在實(shí)際電路運(yùn)用中， 通常使用DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)給運(yùn)算放大器提供所需電源， 故消除DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪聲十分重要， 首先要選擇低噪聲型的DC-DC轉(zhuǎn)換器， 其次使用LC 濾波電路來(lái)消除噪聲。常用電路如圖6所示。

圖5　4階高通濾波電路Fig. 5　Circuit of fourth-order high-pass filter

圖6　DC-DC部分電源電路Fig. 6　Circuit of DC-DC power

這部分電路常布置于安裝前置放大模塊主板上， 且多模塊共用。前置放大模塊內(nèi)部為了防止存在于電源線(xiàn)中的交流干擾， 每塊運(yùn)算放大器IC片子的電源管腳都必須利用低感抗的電容器（比如0.1 μF的陶瓷電容器）對(duì)地旁路。這些解耦電容器有助于中和來(lái)自電源線(xiàn)和地線(xiàn)的非零電抗所形成的虛假反饋環(huán)路， 增加電路的穩(wěn)定性。

另外， 電源線(xiàn)的分布電感大約以1 nH/mm速度增加， 為使分布電感最小， 措施更為有效， 接線(xiàn)頭一定要短， 即電容器應(yīng)裝在靠近運(yùn)算放大器的管腳。整塊電路板在電源電壓的入口點(diǎn)還應(yīng)利用10 μF的極化電容器提供對(duì)電路板的旁路， 利用寬的地線(xiàn)， 使得整個(gè)電路板盡量保持一個(gè)電的純凈地的參考。整個(gè)電路板的供電旁路電容處理如圖7所示。

4　仿真與計(jì)算

圖7　運(yùn)算放大器電源電路Fig. 7　Circuit of power for operational amplifier

Multisim是一種功能比較強(qiáng)大的電子電路仿真軟件， 利用Multisim可以使設(shè)計(jì)與仿真同步［5］。采用Multisim 12 電子電路仿真軟件對(duì)前置放大模塊中的前級(jí)放大和濾波設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，并對(duì)設(shè)計(jì)電路的噪聲進(jìn)行了計(jì)算。

4.1前級(jí)放大電路仿真

前級(jí)放大仿真電路圖見(jiàn)圖 4， 采用Multisim 12自帶的示波器測(cè)量前置放大電路的輸入輸出波形， 如圖8所示。由圖中可以看出， 該電路參數(shù)下相位特性和幅度特性接近理想狀態(tài)。

4.2濾波電路仿真

濾波仿真電路圖如圖5所示， 采用Multisim 12自帶的波特圖示儀測(cè)量和顯示該4階高通濾波電路的幅頻特性與相頻特性， 參見(jiàn)圖 9。由圖中可以看出， 濾波頻率為9.7 kHz（-3 dB點(diǎn)）， 帶內(nèi)平坦度0.5 dB。

圖8　前級(jí)放大輸入輸出波形Fig. 8　Input and output waveforms of front-stage am plifying circuit

圖9　濾波電路幅頻特性與相頻特性Fig. 9　Amplitude-frequency and phase-frequency char acteristics of filtering circuit

4.3噪聲計(jì)算

前置放大模塊的噪聲起決定作用的是前級(jí)放大， 故對(duì)前級(jí)放大進(jìn)行噪聲計(jì)算。

根據(jù)奈奎斯特理論， 電阻產(chǎn)生的熱噪聲［6］

式中： VT是噪聲密度， Vrms； k為玻爾茲曼常數(shù)（1.38*10-23J/K）； T是絕對(duì)溫度， K； R表示電阻，?； B為帶寬， Hz。

假設(shè)T＝300 K（27℃）， B＝10 kHz， 根據(jù)式（1）按照2.1.2節(jié)計(jì)算前級(jí)放大輸入噪聲， 得：

4） 噪聲電流流過(guò)決定增益的電阻形成的噪聲可忽略不計(jì)。

5　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

針對(duì)上述設(shè)計(jì)電路制成印制板， 調(diào)試合格之后用金屬外殼封裝。用頻譜分析儀agilent 35670對(duì)該模塊進(jìn)行測(cè)試， 其濾波特性測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10　濾波特性曲線(xiàn)示意Fig. 10　Curve of filtering characteristic

將輸入端短路， 測(cè)試該模塊的噪聲特性， 如圖11所示。

圖11　噪聲特性曲線(xiàn)示意Fig. 11　Curve of noise characteristic

由圖10和圖11可以看出， 該電路的濾波特性實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同。噪聲特性實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。

將PVDF壓電薄膜換能器與前置放大模塊輸入端相連， 輸入端雙絞并盡量減短輸入端引線(xiàn)長(zhǎng)度。在水池環(huán)境下對(duì)其接收性能進(jìn)行測(cè)試， 根據(jù)測(cè)試結(jié)果和PVDF壓電薄膜換能器的接收靈敏度推算前置放大模塊的折合輸入端噪聲， 結(jié)果不大6結(jié)束語(yǔ)

于–130 dB/Hz, 滿(mǎn)足水聲處理設(shè)備的使用需求。

文章根據(jù)PVDF壓電薄膜換能器的特性, 設(shè)計(jì)了適應(yīng)微弱電流的信號(hào)前置放大模塊, 給出了前級(jí)放大、濾波以及電源處理的設(shè)計(jì)要素、具體設(shè)計(jì)電路, 以及電路噪聲特性的詳細(xì)計(jì)算, 通過(guò)電路的仿真與測(cè)試, 結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo), 滿(mǎn)足水聲測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用需求。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Design of Preamplifier Module for Piezoelectric Thin Film Transducer in Polyvinylidence Fluoride

GUAN Ling，WANG Xu
（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710075， China）

The noise properties of a preamplifier module directly influence the receptivity of a piezoelectric thin film transducer of polyvinylidence fluoride（PVDF）. According to the characteristics of the PVDF piezoelectric film transducer， this paper designs a preamplifier module to match the transducer. Interferences and noises are eliminated by the anti-interfere technology applied for analog signal processing. The design factors of the preamplifier module are considered. The design module is simulated via the software Multisim12 and tested in laboratory. The results show that the input noise of this module is lower than -130 dB/Hz， which infers that the designed preamplifier module meets the requirement of underwater acoustic signal processing equipment.

polyvinylidence fluoride（PVDF） piezoelectric thin film； transducer； preamplifier module； underwater acoustic signal processing

TJ630.34； TB564

A

1673-1948（2015）05-0423-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.006

2015-05-26；

2015-07-17.

管玲（1968-）， 女， 高級(jí)工程師， 主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù).