一种低频矢量水听器内嵌式电荷放大器

方尔正, 张智强, 李媛, 王欢, 李宗儒

(1.哈尔滨工程大学 水声技术全国重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001; 2.海洋信息获取与安全工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工程大学) ,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.哈尔滨工程大学 水声工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

目前应用最广泛的矢量水听器是一种新概念传感器,其具备一定的低频探测能力。矢量水听器由声压和振速环节复合而成,声压部分大多采用压电式结构,一般由敏感元件、辅助结构以及电缆组成,然后封装于透声性能良好的橡胶或聚氨酯材料中。由于压电式传感器输出阻抗高,因此需要放大器作好匹配。

在水听器测量系统中,电压放大器易受电缆电容影响,而电荷放大器灵敏度与电容量无关,通常用作转换电路[1],适用于长距离冲击和振动的测量,而这与水听器使用环境相符合。

常见的电荷-电压转换技术使用了集成运放和反馈电容等。但集成运放对反馈电容等电子元件的精度要求很高且反馈电容难以集成[2];同时传统电路至少需要供电线、信号线以及地线单独走线,走线复杂且易受电磁干扰。因此需要设计一种可以集成的压电传感器内置电路,也称压电集成电路。

IEPE电路自带电荷放大或电压放大功能[3],集成了调理电路,电路输入端与敏感元件相连,系统通常由4 mA恒流源供电并将敏感元件输出的电荷信号转换为电压信号,电路输出端信号线与电源线共线,实现了将敏感元件与电荷放大电路集成于一体的目的,此外传感器外壳可以抑制电路电磁干扰[4],提高测量精度和可靠性。

在水声工程实践中,水下目标的辐射噪声主要能量集中在2 Hz～10 kHz内[5],在较远距离上,如100～1 000 m时,声源级SL=120 dB的目标经过传播到达水听器表面后的声压级为60～80 dB,若水听器灵敏度为-180 dB,则声电转化的电压范围是1～10 μV,为使该信号足以驱动电缆,以便作为第二级放大的输入,可将其前置放大10倍处理,因此放大电路放大倍数可设计为10倍。

同时该电路频率应在2 Hz～20 kHz的内具有良好的频率响应,以满足水下辐射噪声的主要频率范围。

1 基本原理

1.1 传统水听器测量原理

对于一般水听器,当传感器内压电片感知到应变后,产生的输出电荷很小,信号往往掩埋在各种噪声中[6],无法使用数字采样系统直接测得电荷量。另一方面,由于一般电路输入阻抗很小,压电片上的电荷会被输入电阻泄露,无法通过常规电路进行测量,因此需要将此电荷信号转化为电压信号并经电缆传送至壳体结构内部的放大、滤波电路,再经过调理电路后输出,得到最终的输出信号。因此信号要经过一定长度的电缆才可以输入到后续电路中,该信号易受电缆电容以及环境电磁干扰等影响。同时连接传感器和后续电路的电缆至少需要电源线、地线和信号线,不利于传感器的集成化。

为了减小传输电缆的影响,可以将电压放大电路替换为电荷放大电路,电路前端与敏感元件相连,输出信号与电源线共线,如图1所示。

IEPE电路的主要部分即电荷放大电路,该电路的主要作用是将传感器输入的电荷信号转化为方便后续电路测量的电压信号[7],同时也可以在保证一定带宽的条件下,实现一定倍数的放大作用[8]。

目前最常见的电荷放大器主要是由运算放大器和由反馈电容C与反馈电阻R组成的深度负反馈高增益放大电路,当开环增益足够高时,电荷放大器的输出端电压可以表示为:

Uo=-Q/C

(1)

式中Q为输入电荷量。

因此,缆线长度和压电陶瓷自身的电容几乎可以忽略,Uo仅由输入端电荷Q和电容C决定,这是电荷放大器最明显的特点。

1.2 电路设计

该设计电路所用的元器件多为电容、电阻、三极管等分立元件,不仅体积小、易于集成,且可以实现信号与电源共线。所设计的放大电路如图2。

图2 电荷放大器原理Fig.2 Schematic diagram of charge amplifier

电荷放大器不仅可以将输入的电荷信号转化为电压信号,还可以同时将其放大若干倍。但这种放大并没有将电荷放大,只是将阻抗较高的电荷源转化为低阻抗的电压源[9]。该电路主要包括结型场效应管部分和双极结型三极管部分,场效应管和晶体管的特征频率高,因此电路的频带较宽[10]。

该电路采用24 V,4 mA恒流源供电,通过合理选择电阻阻值可以将输出偏置电压控制在合适的范围,本文设计输出偏置为7 V左右。

电路中反馈电容为Cf。电阻Rg为反馈电阻,Rg的阻值很大,可以为JFET提供负栅压偏置,用来泄漏掉场效应管FET的栅极电流,也可以降低偏置电阻噪声[11],电路的输入阻抗主要也是由该电阻决定的。电荷流经电阻Rg产生的电压通过场效应管JFET实现小信号压控电流变化,同时实现阻抗变换。根据信号源的阻抗大小,本文中Rg采用阻值为1 M的电阻。Rg和Cf共同决定了该放大电路的时间常数,也即决定了频带的低频截止频率,时间常数越大,低频截止频率越小。Cpe为压电陶瓷片自带等效电容。

场效应管JFET可以为电路提供高输入阻抗,实现电路的阻抗变换,PNP晶体管可以减小电路的输出阻抗,提高电路带负载能力,也可以实现电源线与信号线共线传输。

1.3 微变等效电路

由于该电路使用的频率范围为几赫兹到几十赫兹,因此需使用混合π模型画微变等效电路,完整的微变等效电路如图3所示。

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

对此等效电路进行如下简化:

1)对于三极管。

通常情况下,Rce远大于C-E之间接的负载电路,Rb′c也远大于Cb′c′的容抗,因而可以认为Rce和Rb′c开路。

在图3中,从B′看进去Cb′e′中流过的电流为:

(2)

(3)

在近似计算时即有:

(4)

(5)

则此时有:

(6)

(7)

(8)

2)对于场效应管。

一般情况下,Rgs比外接电阻大得多,因此在近似分析时可认为是开路的。

(9)

(10)

(11)

综上可得简化后的混合π模型如图4。

图4 简化后的混合π模型Fig.4 Simplified mixed π model

1.4 频率响应计算

1.4.1 下限截止频率计算

(12)

(13)

而JFET的漏源电压放大倍数等于漏极输出电压变化量与栅级输入电压变化量之比,即:

(14)

而在该电路中,通过合理选择电阻R1和R2,可以使场效应管尽量工作在线性区,输出信号不失真。

假设时刻t1JFET栅极电压为Vg1,漏极电流为id1,栅源电压为Vgs1,根据图4的简化混合π模型可知:

Vgs1=Vg1-Vs1=Vg1-id1R2

(15)

即:

(16)

结合实际场效应管id-Vgs特性曲线,可以得到此时的Vgs1和id1。再根据此时的Vgs1和id1,结合场效应管实际id-Vds特性曲线,可以得到此时的漏源电压Vds1。如图5所示。

图5 JEFT特性曲线Fig.5 JEFT characteristic curve

则此时Vg1为:

Vg1=Vs1+Vgs1=id1R2+Vgs1

(17)

同理可得当t2时刻有:

Vg2=Vs2+Vgs2=id2R2+Vgs2

(18)

因此,在t1-t2时间段内,JFET栅极电压差为:

ΔVg=(id2-id1)R2+Vgs2-Vgs1

(19)

漏极输出电压差为:

ΔVd=(id2-id1)R2+Vds2-Vds1

(20)

此时可得漏极电压与栅极电压放大倍数为:

(21)

因为实际传感器输入信号为小信号,因此Vgs变化很小,在id-Vgs输入特性曲线上动态范围很小,可近似为线性。假设输入为零,即静态工作点处曲线斜率为gm,也即此时场效应管的导纳,输入小信号后也可用此gm近似替代曲线斜率。即有:

(22)

理论静态工作点VgsQ的值可由式(23)及数据手册得出:

VgsQ=-VsQ=-idQR2

(23)

在id-Vds输出特性曲线上,由于输入信号为小信号,同样可选择Vgs等于静态工作点VgsQ时对应的曲线,并假设工作范围内近似为线性,此时场效应管漏源电阻为Rds,即:

(24)

将式(22)、(24)代入式(21)可得:

(25)

根据数据手册中输入特性曲线以及所选取R2的值可知,gmR2+1可近似为gmR2,此时放大倍数即:

(26)

(27)

1.4.2 上限截止频率计算

(28)

(29)

由此可得高频截止频率表达式为:

(30)

(31)

式(31)即最终高频截止频率近似计算公式。

1.5 电路增益

由于电路输入端和输出端电荷量相同,因此该电路的输出端与输入端电压比同Cf与Cpe的比互为倒数,即该电路理论放大倍数为:

A=Cpe/Cf

(32)

本设计中电容Cpe的值约为10 nF,Cf取值为1 nF。由式(32)可计算得此时电路放大倍数应为10倍。

2 仿真与分析

2.1 器件选择

JFET具有高输入阻抗,低1/f噪声的特性用于匹配压电变换器的高输出阻抗,且在一定频带内频率响应较好[12],可以采用2N4338、BFW13、2SK170等,本文设计中采用2SK170结型场效应管,可以实现自偏压设计。该管栅源之间的电阻可高达107Ω到1012Ω,当VGS=-30 mV,IGSS(max)=-1 nA,适用于放大电路的第1级。在栅源电压为10 V,漏源电压为0 V时,转移导纳为22 mS,即gm=22 mS。其击穿电压也较高,约为VGDS=-40 V,同时该场效应管可运用在-55～125 ℃的环境下,因此选用该JFET。

其输入电容Ciss在VDS=10 V,VGS=0,f=1.0 MHz时约为30 pF,即Ciss=Cgs+Cgd=30 pF。反馈电容Crss在VDG=10 V,ID=0,f=1.0 MHz时约为6 pF,即Crss=Cgd=6 pF。根据以上数据可以得出,Cgd=6 pF,Cgs=24 pF。

BJT的输出阻抗很低,因此可以使有用信号最大限度地传输至后续电路。此电路中选用的型号为2N3906,该三极管为PNP晶体管,在IC=-1.0 mA,IB=0时集电极-发射级击穿电压为40 V,IC=1.0 mA,VCE=1.0 V时,其直流电流增益在至少为80。在IC=1.0 mA,VCE=10 V,f=1.0 kHz时小信号电流增益为100～400。在IC=10 mA,VCE=20 V,f=100 MHz下增益带宽积测试为250 MHz。在IE=0 mA,VCB=5.0 V,f=1.0 MHz时输出电容为最大4.5 pF,在IC=0 mA,VEB=0.5 V,f=1.0 MHz时输入电容为最大10 pF,可以满足电路使用要求。

2.2 输入输出波形仿真

其中交流信号源与电容组合可以模拟压电陶瓷受压后产生电荷的过程。由于信号发生器最小输出为1 mV,因此后续仿真及测试输入均选用1 mV。即峰峰值为2 mV。设频率为400 Hz,由于放大倍数为10,可得输出信号理论值为20 mV。仿真后输入输出波形如图6所示。

图6 Multisim仿真Fig.6 Multisim simulation

由图6可以看出,仿真结果与理论计算值符合,输出信号峰峰值约为20 mV。

2.3 频率特性仿真

Multisim也可以对电路进行频率响应仿真,包括幅频响应和相频响应。由于带宽是电路设计的重要指标之一,且根据增益带宽积为一常数,因此需合理选择电容Cf的值。当Cf采用1 nF时,对电路的幅频响应进行仿真,得仿真结果如图7与图8。

图7 低频转折频率Fig.7 Low frequency response characteristics

图8 高频转折频率Fig.8 High frequency response characteristics

根据图7及图8所示的仿真结果,可以看出该电路最大增益为19.3 dB,增益下降3 dB时,低频转折频率约0.9 Hz,高频转折频率为78.8 kHz。

3 测试

3.1 实际输出信号波形测试

按照所设计的电路制作PCB后,电路板大小约为1 cm×1 cm,将各元器件焊接好,实物图如图9。实验室测试环境如图10所示。

图9 电路实物Fig.9 Circuit diagram

图10 测试环境Fig.10 Test environment

测试时给输入信号峰峰值为2 mV,频率分别为0.002、0.005、0.096、1、20 kHz时分别得到输出信号波形如图11所示。

图11 不同频率下放大电路输出波形Fig.11 Output waveform of amplifier circuit at different frequencies

根据实测数据得到示波器读到的峰峰值及输出偏置电压如表1所示。

表1 不同频率下电路输出参数Table 1 Circuit output parameters at different frequencies

3.2 频率响应特性测试

改变输入信号的频率,得到测试电路的频率响应如图12所示。

图12 电路频率特性Fig.12 Circuit frequency characteristics

可以看到该电路实际增益约21 dB,高频下降3 dB转折点处频率约为fH=104.9、 Hz=79.4 kHz,低频下降3 dB转折点为fL=100.117、 Hz=1.3Hz。因此可以满足一般水听器的使用范围。

3.3 电路稳定性测试

将输入信号设置为峰峰值2 mV,频率为1 kHz,可得输出峰峰值为22.7 mV,将电路连续工作48 h后,输出峰峰值为22.5 mV,偏差只有0.2 mV,由此可以认为该电路具有一定的稳定性。

3.4 线性度测试

将输入信号频率设置为10 kHz,改变输入峰峰值得到相应输出信号峰峰值,可绘制如图13的输入输出幅度曲线。

图13 输入输出幅度曲线Fig.13 input and output fitting curve

线性度δL又称为非线性误差,用特性曲线与其规定的拟合曲线之间的最大偏差ΔMmax与电路最大输出值ymax的百分数来表示:

(33)

进过数据对比可得,输入电压峰峰值为100 mV时,特性曲线与拟合曲线的偏差最大,最大为ΔMmax=5.5 mV,而ymax=900 mV,代入式(33)可得δL=0.6%。

4 结论

本文设计的一种用于低频水听器的内嵌式电荷放大器,通过分立元件可以使水听器的放大电路内嵌于水听器中。该电路具有以下优势:1)电路采用24 V,4 mA电流源供电,电源线与信号输出线共用一根线,一方面减少了电路外围设备的使用,另一方面降低了因导线的存在而对电荷放大器的输出信号产生的影响;2)电路输入阻抗高,输出阻抗小,更好地解决了压电式结构的水听器输出阻抗高的问题;3)电路使用的电子元件数目较其他形式电路少,因此成本更低。通过仿真、测试可知,该电路可以满足一般水听器的使用要求,该设计具有一定的使用价值。