杜春暉

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；

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一種跨阻式微電容信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試

杜春暉1，2

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；

2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

摘要：針對(duì)微電容超聲波換能器的信號(hào)檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種跨阻放大檢測(cè)電路，并對(duì)其檢測(cè)原理進(jìn)行了分析；建立了跨阻放大檢測(cè)電路運(yùn)算放大器的噪聲模型，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析，最終給出了測(cè)量電路噪聲峰峰值的計(jì)算公式。通過(guò)模擬測(cè)試得到了電路的實(shí)際最小分辨率為10×10-10A，電路的輸出線性度為5.3%。通過(guò)對(duì)微電容超聲波換能器收發(fā)系統(tǒng)的水下測(cè)試可知，該跨阻放大檢測(cè)電路測(cè)量誤差為2.3%，能夠精確地測(cè)量換能器與障礙物的實(shí)時(shí)距離，為換能器在超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CMUT；跨阻放大檢測(cè)電路；噪聲模型；測(cè)試

超聲成像作為近代一個(gè)新興的研究課題引起各國(guó)研究人員的關(guān)注，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、水底成像等研究領(lǐng)域[1]。其關(guān)鍵部件CMUT由于聲阻抗與氣體和液體的聲阻抗相近，不需要額外的匹配層就可以達(dá)到良好的阻抗匹配；制造工藝可與IC制造工藝相兼容[2]，集成度高，體積小，因而得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但是微電容超聲波換能器在接收外界超聲激勵(lì)時(shí)，自身的電容變化僅為飛法級(jí)[4]，遠(yuǎn)小于檢測(cè)電路中的雜散電容，針對(duì)此本文設(shè)計(jì)了一種跨阻式微電容信號(hào)檢測(cè)電路，把對(duì)電容變化的測(cè)試轉(zhuǎn)換為對(duì)微小電流的精度測(cè)試，該電路的主要噪聲為由雜散電容通過(guò)運(yùn)放后產(chǎn)生的噪聲[5]，去除噪聲便成為電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1跨阻式微電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與噪聲分析

1.1檢測(cè)原理

檢測(cè)電路原理圖如圖1所示，CX為微電容超聲波換能器的等效模型，CS1、CS2分別為電路的等效雜散電容。Rf為反饋電阻，在電路中形成的深度負(fù)反饋將超聲作用下的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。Cf為相位補(bǔ)償電容，在消除自激振蕩、穩(wěn)定輸出波形方面有重要的作用。在正輸入端，用電阻與電容的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的直接接地的方式，電阻R是為了補(bǔ)償因Rf過(guò)大所造成的直流誤差，R上并聯(lián)的電容C4用于除去因R引進(jìn)的雜散噪聲。

圖1　檢測(cè)電路原理圖

1.2噪聲模型分析

電路的噪聲主要取決于雜散電容經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后的噪聲大小，所以主要對(duì)運(yùn)放噪聲進(jìn)行分析。如圖2所示為只考慮運(yùn)放電壓噪聲和電流噪聲的微電容測(cè)量電路模型。Eop表示運(yùn)放的噪聲電壓，Iop表示運(yùn)放的噪聲電流，由于運(yùn)放噪聲頻率主要集中在1 kHz～10 MHz，因此主要對(duì)這個(gè)頻帶內(nèi)的噪聲進(jìn)行分析。

圖2　檢測(cè)電路的噪聲模型

對(duì)于噪聲電流Iop，在輸出端對(duì)應(yīng)的有效值表達(dá)式為：

(1)

對(duì)應(yīng)峰峰值為：

(2)

對(duì)于噪聲電壓Eop，在輸出端對(duì)應(yīng)的有效值表達(dá)式：

(3)

對(duì)應(yīng)峰峰值：

(4)

運(yùn)放的總噪聲峰峰值為：

(5)

分析公式(2)和(4)可知，電流噪聲的大小完全取決于反饋回路電容和電阻的大小以及運(yùn)放噪聲電流功率譜密度，而電壓噪聲除了受反饋回路電容和電阻大小以及運(yùn)放噪聲電壓功率譜密度的影響外，還受超聲波換能器電容變化量與雜散電容的影響，且雜散電容遠(yuǎn)大于被測(cè)電容，所以雜散電容成為決定電壓噪聲的主要因素。根據(jù)公式(5)可知，電路的總噪聲主要由電壓噪聲決定，也就是由雜散電容決定。本次實(shí)驗(yàn)所選用的參數(shù)為Cf=9 pF，Rf=1 MΩ，R=1 MΩ，C4=100 pF，若雜散電容CS=100 pF，根據(jù)公式可以計(jì)算出電路噪聲的峰峰值為2.45×10-4V，若選取反饋電阻為1 MΩ，則其對(duì)應(yīng)檢測(cè)電流精度可達(dá)2.45×10-10A。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1信號(hào)檢測(cè)電路的模擬測(cè)試

用信號(hào)發(fā)生器模擬超聲波換能器輸出正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)10 MΩ的電阻轉(zhuǎn)換成一定量級(jí)的等效電流信號(hào)，將該信號(hào)接入跨阻放大電路的輸入端，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的大小，同時(shí)通過(guò)示波器觀察跨阻放大電路的輸出波形，并記錄電壓峰峰值，不同輸入信號(hào)下示波器的波形如圖3所示，輸出電壓峰峰值如表1所示。

圖3　不同輸入信號(hào)下的輸出信號(hào)波形

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電路可測(cè)量的最小電流，即電路的實(shí)際分辨率為10×10-10A，而等效噪聲模型下的最小電流為2.45×10-10A，測(cè)試值量級(jí)與理論計(jì)算的量級(jí)相符，證明該電路可用于微弱信號(hào)的提取。

將表1中輸出電壓的理論值與測(cè)試值進(jìn)行擬合，并將擬合曲線顯示在同一個(gè)坐標(biāo)系中，如圖4所示，可以看出該測(cè)試電路具有良好的輸出線性度，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，測(cè)試曲線與理論曲線的相對(duì)誤差為5.3%。

表1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路輸出峰峰值

圖4　輸出電壓的理論值與實(shí)際值的擬合曲線

2.2信號(hào)檢測(cè)電路的系統(tǒng)測(cè)試

為了在系統(tǒng)測(cè)試中驗(yàn)證該電路的性能，對(duì)其進(jìn)行了水下測(cè)試系統(tǒng)的搭建，系統(tǒng)測(cè)試示意圖如圖5所示。A為超聲發(fā)射傳感器，B為超聲接收傳感器，由A發(fā)射出的超聲波經(jīng)水下障礙物反射后由B接收，再經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的跨阻放大檢測(cè)電路后，用示波器對(duì)其測(cè)試信號(hào)進(jìn)行顯示。

圖5　系統(tǒng)測(cè)試示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，通道2的信號(hào)為傳感器的發(fā)射信號(hào)，每一個(gè)周期的發(fā)射中包含15個(gè)等間距的脈沖信號(hào)，通道4中包含有1個(gè)耦合信號(hào)和4個(gè)回波信號(hào)。通過(guò)發(fā)射信號(hào)與一次回波信號(hào)的時(shí)間差，及超聲在水下1 540 m/s的傳播速度，可以計(jì)算出傳感器與障礙物之間的距離，通過(guò)多次測(cè)試得出測(cè)試的相對(duì)誤差為2.3%，由此即可實(shí)現(xiàn)水下實(shí)時(shí)超聲

距離。

圖6　系統(tǒng)測(cè)試電路輸出波形

3結(jié)論

本文對(duì)跨阻放大檢測(cè)電路的原理進(jìn)行了分析，建立并詳細(xì)分析了電路的噪聲模型，計(jì)算出了電路的理論最小分辨率，通過(guò)對(duì)電路的模擬測(cè)試得到了實(shí)際最小分辨率，實(shí)際測(cè)試值與理論值雖有一定偏差但屬于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足實(shí)際的測(cè)試需要。對(duì)于造成偏差的原因可能存在于以下三個(gè)方面：一是對(duì)運(yùn)放供電時(shí)引入的電源噪聲；二是PCB板在布線時(shí)，因元件的相對(duì)位置、過(guò)多的平行導(dǎo)線等引入的雜散噪聲；三是元器件自身引入的噪聲。若后續(xù)能夠從這幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，該電路的性能將進(jìn)一步提升，為微電容檢測(cè)提供一條途徑，為水下微電容超聲換能器的實(shí)際應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

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Design and Test of Transimpedance Amplifier Measuring Circuit Based on Micro-capacitance

Du Chunhui1,2

(1.TaiyuanInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,TaiyuanShanxi030006,China;2.ShanxiTiandiCoalMiningMachineryCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030006,China)

Abstract:Aiming at the signal detection of micro-fabricated capacitance ultrasonic transducer (CMUT), a transimpedance amplifier measuring circuit is designed in the paper and its detection principle is analyzed. In this paper, the noise model of amplifier is established and analyzed. Finally, the calculation formula of electrical noise peak-to-peak is given. Through the simulation test, it obtains the actual minimum resolution of 10×10-10A, and the output linearity is 5.3%. The system test under water is conducted, which demonstrates that the circuit could measure the distance exactly between CMUT and barrier sensitively, the measurement error is 2.3%. it constitutes a solid basis for the application of CMUT in ultrasonic imaging.

Key words:CMUT; transimpedance amplifier measuring circuit; noise model; test

收稿日期：2016-03-24

作者簡(jiǎn)介：杜春暉(1986- )，男，山西呂梁市人，助理工程師，碩士，研究方向：測(cè)試計(jì)量與自動(dòng)控制。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0038- 03

中圖分類號(hào)：TN721.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A