電磁超聲換能器的前置放大電路設計

0 引言

在無損檢測中，EMAT因其獨有的優(yōu)點被廣泛應用，但經(jīng)EMAT接受線圈接受到的信號通常很微弱，信號幅值小，一般只有幾十μV到幾百μV，并且對周圍環(huán)境噪聲敏感度高，接收信號常被淹沒在噪聲中，輻射模式較寬，能量不集中。為了得到適合顯示觀察的水平，需要對信號進行放大和濾波處理，以減少噪聲和干擾。為了避免EMAT的接收系統(tǒng)放大倍數(shù)過大引起信號失真和自激的現(xiàn)象，通常采用多級放大。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。應用專業(yè)的EDA軟件對其進行仿真分析，能夠更迅速準確地分析電路性能，從而選出性能較好更適合需要的電路，本文設計了2種前置放大器，并且利用Multisim10仿真軟件對這2種電路進行了仿真比較。

1 前置放大器

1．1 用NJM4580設計的放大器

在第一種電路設計中，選用NJM4580運算放大器，該放大器是日本新無線公司生產(chǎn)的雙路運算放大器，具有無噪聲、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，還適用于手工測量工具等。

NJM4580的主要特點是：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)。應用NJM4580設計的放大器電路如圖1所示。

本設計采用NJM4580，主要是在差分放大電路設計部分保持信號的帶寬，使其不失真。采用3個運算放大器排成2級，由運放U1A，U2A按通向輸入接法組成第1級差分放大電路，運放U3A組成第2級差分放大電路。在第1級電路中，信號源加到U1A的同相端，R6和R3，R4組成的反饋網(wǎng)絡，引入了負反饋。

為了使電路對稱，提高儀用放大器性能，選取的電阻應滿足R3=R4關(guān)系，參數(shù)嚴格匹配，誤差控制在很小范圍內(nèi)。經(jīng)過計算，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，達到不同信號放大比例的要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設計中最重要的環(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。所以設計時確定R6為2 kΩ。該放大電路是級聯(lián)放大電路，為前級放大，而后級級聯(lián)放大電路則由2個741級聯(lián)構(gòu)成，共同組成一個完整的信號接收端的前置放大電路。

1．2 應用AD620設計的放大器

在進行微弱信號檢測中，為了減少集成運算放大器對電路的干擾，應選擇接近理想運算放大器的芯片。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，在另一種電路設計中，應用AD620對第一種電路進行改進。AD620是AD公司生產(chǎn)的高精度單片儀表運放，它擁有差分式結(jié)構(gòu)，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大，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，其外部電路連接方便簡單，只需要一個連接于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主要特點有以下幾點：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。應用AD620設計的電路如圖2所示。

2 采用Multisim 10軟件仿真

2．1 軟件介紹

Multisim 10是由美國國家儀器公司(National Instrument，NI公司)推出的，相對于Multisim 10的仿真軟件，它具備更加形象直觀人性化的特點，提供了16 000多個高品質(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、電流表和多臺儀器(數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器等)。該軟件大多數(shù)采用的是實際模型，保證了仿真和實驗結(jié)果的真實性和實用性。應用Multisim 10可以進行模擬電路、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。本文設計的是μV級的電壓信號放大。采用了2種方案，通過Multisim 10的仿真來對這兩種電路性能進行比較。

2．2 仿真比較

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

(2)電路的幅頻特性仿真與比較。應用此軟件中的波特圖儀(Bode Plotter)對兩電路的幅頻特性進行仿真比較，設置的觀察頻率范圍是25 kHz～1 MHz，結(jié)果如圖4所示。

通過波特圖可以直接觀察出當輸入信號頻率為25 kHz時，兩電路的增益分別為85 dB和98 dB。比較可以得出，應用AD620改進電路的放大效果較好。通過移動波特圖儀的光標柱可以觀察2個電路在其他頻率時的放大增益。將光標注移動到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，通過移動光標柱可以獲得輸入信號為其他頻率時的兩電路增益，不同輸入信號頻率下的增益如表1所示。通過比較可知，應用AD620電路的增益高于應用NJM4580電路的增益。

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

3 結(jié)語

本文針對輸入信號為微幅級的信號，用NJM4580運算放大器設計了與741共同構(gòu)成的級聯(lián)放大電路，并在此基礎上應用AD620對電路進行改進以達到更加優(yōu)良的性能；利用Multisim 10對設計的2個放大電路進行仿真、比較，從而驗證了應用AD620的放大電路不僅電路構(gòu)成簡單，而且在放大性能上更加優(yōu)于應用NJM4580運算放大器構(gòu)成的差分級聯(lián)放大電路。