張澤芳，任勇峰，何常德

(中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

超聲傳感器主要應(yīng)用于無損檢測及水下聲波探測等領(lǐng)域，電容式微機(jī)械超聲傳感器(CMUT)作為一個(gè)關(guān)鍵性的超聲傳感部件，從提出起就引起了廣大研究人員的關(guān)注[1]。CMUT由于其結(jié)構(gòu)簡單、自身噪聲低、寬頻帶、高靈敏度、低成本等優(yōu)點(diǎn)[2]，有取代壓電傳感器的趨勢[3]。然而，只有將CMUT接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出才能使這些優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。本文所提及的CMUT靜態(tài)電容量約為1nF，處于接收狀態(tài)時(shí)僅產(chǎn)生pC級(jí)的電荷量信號(hào)，輸出阻抗很高，帶負(fù)載能力差，極易受到外界干擾的影響，因此，設(shè)計(jì)性能良好的信號(hào)檢測及放大電路對該器件的廣泛應(yīng)用有著非常重要的意義。本文利用電荷放大電路將換能器產(chǎn)生的電荷量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并對其進(jìn)行放大[4]，完成超聲波信號(hào)的檢測與放大，為后端信號(hào)采集與處理提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸入信號(hào)。

1 電容式超聲換能器(CMUT)

1.1 CMUT工作原理

典型的CMUT如圖1所示，主要由上下電極、振動(dòng)薄膜、支撐臂、硅襯底等構(gòu)成，下電極固定于硅襯底，上電極與振動(dòng)薄膜可以彎曲，其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的平板式電容器[1,5]。CMUT可以發(fā)射和接收超聲波，本文主要探討換能器的接收狀態(tài)。

圖1 CMUT結(jié)構(gòu)

CMUT處于接收狀態(tài)時(shí)的工作模式如圖2所示，其工作原理為：在直流偏置作用下，換能器上下電極保持不動(dòng)；當(dāng)超聲波信號(hào)到來，薄膜開始上下振動(dòng)，從而引起CMUT電容值發(fā)生變化。當(dāng)該換能器工作于接收狀態(tài)時(shí)，CMUT電容的變化量正比于超聲波信號(hào)引起的電荷變化量，所以可通過檢測電荷變化量來檢測接收到的超聲波信號(hào)。

圖2 接收模式

1.2 C-V特性

本文所涉及的2個(gè)CMUT工作頻率均為3 MHz，由于CMUT電容變化量是被檢測量，因而CMUT的C-V特性參數(shù)測量可以為信號(hào)檢測及放大電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供參考。C-V特性曲線通過E4990A阻抗分析儀測得[6]，測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 發(fā)射端CMUT的C-V特性

圖4 接收端CMUT的C-V特性

觀察圖3可知：該CMUT不加直流偏置電壓時(shí)，換能器的電容值為最小值1.036 08 nF，且在0 V附近，電容量變化不明顯；接40 V電壓時(shí)，CMUT電容取值為1.143 43 nF，上極板位移明顯。因而，在進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，可為發(fā)射CMUT提供20 V直流信號(hào)和振幅為20 V的交流信號(hào)，此時(shí)CMUT有較好的發(fā)射性能。

觀察圖4可知：該CMUT不加直流偏置時(shí)，電容取最小值1.013 76 nF，接40 V電壓時(shí)，CMUT電容值為1.032 67 nF；且該曲線在0～20 V時(shí)，電容值趨于平緩，在20～40 V時(shí)，電容變化率隨電壓增加而增大，因此，為方便檢測，可將信號(hào)檢測電路的直流信號(hào)設(shè)置到20 V到40 V區(qū)間。

2 信號(hào)檢測及放大電路設(shè)計(jì)

對于電容式傳感器，電荷放大電路可將傳感器感應(yīng)到的微弱電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓信號(hào)輸出，同時(shí)又能將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩筟7]，因此，適合用作CMUT換能器前端信號(hào)檢測及放大。

2.1 電荷放大電路工作原理分析

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到CMUT自身電阻、連接線纜電容等參數(shù)后的電荷放大電路模型如圖5所示。

圖5 實(shí)際等效模型

其中，Q為CMUT自身產(chǎn)生的電荷量；Ca為CMUT板間電容，Cc為連接線纜電容，Ri為放大器的輸入電阻，Ci為放大器的輸入電容，Cf為反饋電容，Rf為積分漂移泄漏電阻，A為放大器開環(huán)放大倍數(shù)。理論分析得：

(1)

由式(1)可知，電荷放大電路輸出電壓與傳感器產(chǎn)生的電荷量成正比，即可通過改變反饋電容的取值滿足信號(hào)放大的要求。電荷放大電路的反饋環(huán)路呈現(xiàn)一定的高通特性，傳感器輸出信號(hào)頻率需要大于低頻截止頻率fL，低頻截止頻率fL為

(2)

2.2 基于CMUT的電荷放大電路設(shè)計(jì)

CMUT為電容式傳感器，處于接收狀態(tài)時(shí)，可將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電容值的變化[8]；CMUT兩端電壓不變，由電容內(nèi)電荷變化量為電容與兩端電壓的乘積可知，通過檢測電荷變化量即可實(shí)現(xiàn)對超聲波信號(hào)的檢測。因此，電荷放大原理可作為超聲波信號(hào)的檢測及放大原理。

運(yùn)算放大器作為電荷放大電路的核心部件，其選型對于整體電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了與超聲波換能器進(jìn)行阻抗匹配，要求使用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器；為了能對3 MHz的超聲波信號(hào)進(jìn)行有效放大，需要使用高增益帶寬積的運(yùn)算放大器,以滿足帶寬和增益的需求；為了減少噪聲對電路的影響，需要選用低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器。最后，選用LTC6268型運(yùn)放。該運(yùn)放可提供大于1 000 GΩ的高輸入阻抗和250 V/mV的開環(huán)電壓增益(即A=2.5×105)，使得輸出電荷泄漏和滯留降到最低；該運(yùn)放的增益帶寬積為500 MHz，對于3 MHz的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換并放大；而且該運(yùn)放輸入偏置電流低至0.9 pA，輸入失調(diào)電壓不超過4.5 mV，對信號(hào)干擾極小，非常適合微型電容式超聲換能器所產(chǎn)生的微弱電荷信號(hào)的放大；設(shè)計(jì)的電荷放大電路如圖6所示[10]。

圖6 電路設(shè)計(jì)

由于CMUT工作時(shí)需要提供直流偏置，所以電荷放大電路采用交流耦合放大。隔直電容C1阻斷了放大電路中的直流電流，使得正輸入端的2.5 V可以順利傳遞到運(yùn)放的輸出端，并且，它耦合通過了頻率為3 MHz的交變信號(hào)，完成了信號(hào)的放大。

通過測試和查閱數(shù)據(jù)手冊，可得Ca+Cc+Ci約為1.2 nF，有(1+A)Cf=2.5 μF>>1.2 nF；又1/Ri=1/1 000 G≈0；(1+A)/Rf=(2.5×105)/10 M≈0；因此，式(1)可以簡寫為

(3)

從式(3)中可看出電荷放大器的輸出電壓與傳感器產(chǎn)生的電荷量Q成正比，與連接線纜電容Cc無關(guān)；與信號(hào)的頻率也沒有關(guān)系；由于為電容負(fù)反饋，所以符號(hào)表示輸出與輸入相位相差180°。

3 信號(hào)檢測及放大電路仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1 電荷放大電路瞬態(tài)特性分析

為了驗(yàn)證電荷放大電路設(shè)計(jì)的可行性，利用Multisim軟件對其進(jìn)行了瞬態(tài)特性分析。當(dāng)兩極板間聚集一定電荷量后，上下電極間出現(xiàn)電壓，所以CMUT也可等效為因存儲(chǔ)電荷而產(chǎn)生的電動(dòng)勢Ut與一個(gè)輸出電容Ct串聯(lián)。由于仿真軟件中沒有電容式傳感器，所以利用信號(hào)源Ut串聯(lián)輸出電容Ct來等效微型電容式超聲換能器產(chǎn)生的電荷量，如圖7所示，Ut、Ct、和Q間的關(guān)系為：

(4)

圖7 等效電路

瞬態(tài)分析用于分析電路中信號(hào)隨時(shí)間變化的情況，即電路的時(shí)域特性。當(dāng)信號(hào)源設(shè)置的峰峰值為1 V，頻率為3 MHz，輸出電容Ct為30 pF時(shí)，經(jīng)過電荷放大電路的輸出電壓波形如圖8所示。由圖8可知，電荷放大電路將Q=15sin(6.28×3×106)pC的電荷量放大為峰峰值為2.985 V的電壓信號(hào)。這表示：當(dāng)CMUT產(chǎn)生變化的30 pC電荷量信號(hào)時(shí)，該電路可輸出2.985 V的電壓信號(hào)，可滿足對CMUT的放大需求。

圖8 仿真波形

當(dāng)信號(hào)源Ut=0.5sin(6.28×3×106)V，Ct=30 pF時(shí)，即已知電荷量的情況下，改變Cf的取值，可得到理論輸出電壓UO1，通過仿真，得到輸出電壓仿真數(shù)據(jù)UO，如表1所示。觀察表1可得，經(jīng)過電荷放大電路的輸出電壓UO與反饋電容Cf成反比例關(guān)系，Cf取值越大，輸出電壓UO等比例減小，且當(dāng)Cf取10 pF時(shí)，可以將滿量程30 pC的電荷量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉宸逯禐?.985 V的電壓信號(hào)輸出，符合預(yù)期電荷放大電路設(shè)計(jì)。

表1 UO-Cf關(guān)系

3.2 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用2個(gè)中心頻率為3 MHz的CMUT進(jìn)行調(diào)試，其C-V特性如圖3和圖4所示，整體測試框架如圖9所示。根據(jù)C-V特性曲線，為獲得CMUT最佳輸出性能，將發(fā)射CMUT的直流信號(hào)設(shè)置為20 V，交流信號(hào)設(shè)置為振幅為20 V的正弦信號(hào)，為接收CMUT提供25 V的直流偏置電壓；接收端在距發(fā)射端6 cm的位置接收超聲波信號(hào)后通過電荷放大電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大，最后，利用示波器觀測輸出電壓信號(hào)。

圖9 整體測試框圖

調(diào)試結(jié)果如圖10，發(fā)射端發(fā)射3個(gè)正弦脈沖，接收端接收到峰峰值為2.04 V的電壓信號(hào)，信號(hào)清晰，雜波干擾小。其后的反射信號(hào)為接收信號(hào)通過CMUT封裝反射后的信號(hào)，幅值小于接收信號(hào)的一半，實(shí)際應(yīng)用中可通過相應(yīng)限幅電路將其濾除。通過輸出電壓可知CMUT產(chǎn)生的電荷變化量約為20 pC，由于接收CMUT接25 V直流偏置，所以電容值在1.017 13 nF左右浮動(dòng)，通過計(jì)算可得電容變化量為0.8 pF。因此，該信號(hào)檢測及放大電路靈敏度為2.5 V/pF，靈敏度良好，滿足超聲波信號(hào)的檢測及放大要求。

圖10 信號(hào)波形

4 結(jié)束語

通過研究CMUT的工作原理以及電荷放大電路的基本原理，設(shè)計(jì)了適用于CMUT的信號(hào)檢測及放大電路，通過電路仿真和調(diào)試實(shí)驗(yàn)，對該電路的工作原理進(jìn)行了相應(yīng)驗(yàn)證。通過調(diào)試結(jié)果可得：該電路可以將CMUT所產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并且信號(hào)可以得到有效放大。該信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)思路清晰，外圍電路簡單，成本低廉，易于集成化，同時(shí)為今后多陣元電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)提供了有效的設(shè)計(jì)方案。