針對電容式微機械超聲換能器（CMUT）高靈敏度、寬頻帶的特點以及微弱電流檢測的需求,設計了一種高增益、寬頻帶的三級放大電路,實現(xiàn)對CMUT器件的微弱電流信號的檢測、放大以及濾波功能。通過搭建測試系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)CMUT對水下超聲信號的接收,對電流信號接收放大與濾波,同時對電路性能進行測試驗證。實驗結果表明,電路可以對CMUT器件產生的微弱電流信號進行轉換放大和濾波,增益可以達到130 dB以上,同時前兩級電路結構的帶寬也可以達到10 MHz,涵蓋了CMUT的工作頻帶。測試結果表明,第一級與第二級電路結構具有良好的線性度與穩(wěn)定性,第三級電路結構的測試結果與仿真結果具有一致性,該電路可以對CMUT發(fā)出的微弱電流信號進行轉化、放大和濾波。 

【文章來源】：儀表技術與傳感器. 2020,(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

CMUT敏感單元結構

根據(jù)CMUT原理可知,對信號的檢測基本分為兩類:檢測電荷的變化,可以據(jù)此設計出電荷放大器;對電流的檢測,最終可以設計出跨阻放大器。經研究發(fā)現(xiàn),利用電荷變化設計的電荷放大器,它在電荷轉移的過程中,對電容的充放電過程是由電子開關網(wǎng)絡控制的,而電子開關網(wǎng)絡則會帶來電荷注入效應,并對結果產生明顯影響。本文設計的三級放大電路,它的一級電路結構為跨阻放大器,該結構不僅可以接收CMUT的輸出信號,還可以避免電路的自激問題,并且能在滿足高增益、寬頻帶的前提下,有效地改善拖尾現(xiàn)象,完善實驗結果;二級反向放大器是對電路整體結構的補充,在只有一級放大的前提下,放大倍數(shù)不夠,而二級反相放大器的設計也必須滿足帶寬以及噪聲要求,盡量做到帶寬比前一級高,同時具有低噪的效果;第三級是濾波器,目的是降低前兩級電路結構的噪聲以及來自外部設備的干擾。整個系統(tǒng)的框圖如圖2所示。2.1 一級跨阻放大器電路設計

由式(2)可以看出,反饋電阻的阻值即為跨阻放大器的放大倍數(shù)。電路的具體結構如圖3所示,C1是隔離電容,隔離輸入端的直流分量。R1是補償電阻,其作用是保證運放的差分輸入級的對稱性,其阻值大小取決于等效反饋電阻的阻值。與R1并聯(lián)的C2的作用是消除R1上的雜散噪聲,從而降低整個電路結構的噪聲。Cf作為反饋電容,其作用是進行相位補償,防止電路發(fā)生自激,同時還可以通過引入極點的方式抑制高頻噪聲。VCC與VDD分別給芯片供正負電壓。Rf1、Rf2與R2同時構成T型反饋網(wǎng)絡[10],增加電路結構的穩(wěn)定性。反饋電阻及輸出電壓的推導公式如下:

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]電容MEMS超聲換能器研究進展[J]. 欒桂冬.  應用聲學. 2012(04)
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碩士論文
[1]隧道式微加速度計信號處理電路的研究[D]. 陳靜.中北大學 2008



本文編號：3352520