肖屹立,郭世旭

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

0 引言

水聽(tīng)器是一種用于接收水下聲波的換能器,能獲取聲場(chǎng)信息,廣泛應(yīng)用于水下通信、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。目前,壓電水聽(tīng)器的材料主要是壓電陶瓷及聚偏二氟乙烯(PDVF)等。壓電陶瓷具有高硬度和高靈敏度,適合測(cè)量高強(qiáng)度聲場(chǎng)。由于壓電水聽(tīng)器輸出阻抗大,輸出信號(hào)微弱,需搭配前置放大器使用。水聽(tīng)器最小可測(cè)聲信號(hào)與放大器輸出端的電噪聲有關(guān)[1],作為水聲系統(tǒng)的前端,其自噪聲水平直接影響水聲信號(hào)的信噪比,水下應(yīng)用時(shí),一般要求水聽(tīng)器自噪聲譜級(jí)低于0級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲譜[2]。

本文針對(duì)帶前置放大器的水聽(tīng)器自噪聲建模問(wèn)題,對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及集成運(yùn)放放大器建立了水聽(tīng)器與其結(jié)合的等效電路噪聲模型。在此基礎(chǔ)上分別基于低噪聲集成運(yùn)放和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)制作前置放大電路,對(duì)其等效輸入噪聲進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)。測(cè)試帶低噪聲結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器水聽(tīng)器的自噪聲,并與零級(jí)海況噪聲譜及低噪聲水聽(tīng)器TC4032的噪聲譜進(jìn)行了對(duì)比。

1 水聽(tīng)器等效模型

(1)

式中:K為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;Δf為帶寬。

圖1為水聽(tīng)器電輸入阻抗的等效電路。水聽(tīng)器電輸入阻抗Zh由短路機(jī)械阻抗、輻射阻抗和鉗位導(dǎo)納表示為

圖1 水聽(tīng)器電輸入阻抗的簡(jiǎn)化等效電路

Zh=1/Yh=1/[G0+jωC0+

(2)

(3)

式中:Rm為機(jī)械電阻;Rr為輻射電阻。

進(jìn)一步將式(3)轉(zhuǎn)化為

(4)

式中:ωr為共振頻率;ωa為反共振頻率;Qm為機(jī)械共振時(shí)質(zhì)量品質(zhì)因數(shù);Qa為反機(jī)械共振時(shí)質(zhì)量品質(zhì)因數(shù);tanδ為壓電材料介電損耗因子。

綜上所述,式(4)中機(jī)械損耗、輻射損耗及電損耗3種損耗形式復(fù)雜耦合,則Rh等效表示為

(5)

電耗散遵循機(jī)械電抗的頻率依賴(lài)性,通常是低頻時(shí)的主要損耗機(jī)制,因此也是主要的內(nèi)部噪聲機(jī)制。在共振頻率下產(chǎn)生的熱噪聲由機(jī)械損耗引起,而在非共振頻率下水聽(tīng)器產(chǎn)生的熱噪聲主要由介電損耗引起[14]。此時(shí),等效電阻由電耗散部分單獨(dú)引起,即在遠(yuǎn)低于共振頻率狀態(tài)下,水聽(tīng)器等效電阻Rh可由其電耗散部分表示:

Rh=Re{1/[jωCf(1-jtanδ)]}=

(6)

2 水聽(tīng)器及放大器聯(lián)合噪聲模型

前置放大器是水聽(tīng)器輸出開(kāi)路電壓的第一級(jí)電路,它將水聽(tīng)器的輸出電壓信號(hào)放大,并實(shí)現(xiàn)阻抗變換。根據(jù)弗里斯公式[15]可知,第一級(jí)放大電路即前置放大電路具有高增益和低噪聲,能有效地提高測(cè)量系統(tǒng)的性能。

針對(duì)高阻壓電型水聽(tīng)器,前置放大器主要選擇高阻抗型的放大器作為主放大器芯片,包括JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、JFET輸入型的集成運(yùn)算放大器及儀表放大器等,此類(lèi)芯片的輸入阻抗在吉?dú)W級(jí)以上。

為了滿足帶前置放大器水聽(tīng)器的低噪聲設(shè)計(jì)需求,將水聽(tīng)器與前置放大器視為組合系統(tǒng),根據(jù)前置放大器設(shè)計(jì)和所選電氣元件的函數(shù)、傳感器材料及傳感器設(shè)計(jì)的函數(shù),分別建立水聽(tīng)器與結(jié)型效應(yīng)管及集成運(yùn)放放大器的噪聲分析模型。

2.1 水聽(tīng)器與集成運(yùn)算放大器噪聲分析模型

根據(jù)組成阻抗類(lèi)比,采用雙端口系統(tǒng)來(lái)描述水聽(tīng)器與放大器的等效電路,得到的噪聲模型如圖2所示。圖中,CH為水聽(tīng)器等效電容,RH為水聽(tīng)器等效電阻,Ri為輸入阻抗,es為電壓輸入信號(hào),eH為水聽(tīng)器熱噪聲,eRi為輸入電子熱噪聲,eA為前置放大器電壓噪聲,eiA為前置放大器電流噪聲,A為前置放大器增益,VO為水聽(tīng)器輸出端的電壓噪聲譜密度。前置放大器可用1個(gè)理想的無(wú)噪聲前置放大器和2個(gè)噪聲源表示,即等效輸入電壓噪聲和等效輸入電流噪聲[16]。

圖2 水聽(tīng)器與集成運(yùn)算放大器的噪聲模型

輸出端的電壓噪聲貢獻(xiàn)主要來(lái)自水聽(tīng)器熱噪聲、偏置電阻熱噪聲、前放電壓噪聲及電流噪聲。

(7)

(8)

前放電壓噪聲譜密度表示為AeA。

(9)

水聽(tīng)器輸出端的電壓噪聲譜密度VO可表示為

(10)

2.2 水聽(tīng)器與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲分析模型

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管自噪聲主要由溝道熱噪聲、柵極散粒噪聲、1/f噪聲和感應(yīng)柵噪聲組成,如圖3所示。圖中,eI為柵極及漏極電流噪聲,Cgs為感應(yīng)柵電容,Cgd為漏柵電容,gm為跨導(dǎo),Cd為漏電容,Vgs為感應(yīng)柵電壓。

圖3 場(chǎng)效應(yīng)管噪聲模型

(11)

式中:B為等效帶寬;sig1為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極散粒噪聲;sig2為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管感應(yīng)柵噪聲;Rg為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻;ZR為輸入阻抗實(shí)部。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管電流噪聲vi可表示為

(12)

式中:sif為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1/f噪聲;sid為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道熱噪聲;Cgd為柵漏電容;Cgs為感應(yīng)柵電容;gm為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo);Cs為信號(hào)源等效電容。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管等效輸入電壓噪聲表示為

(13)

引入水聽(tīng)器噪聲模型,建立水聽(tīng)器與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的聯(lián)合噪聲模型如圖4所示。

圖4 水聽(tīng)器與場(chǎng)效應(yīng)管噪聲模型

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管電壓噪聲譜密度為Avins。

(14)

水聽(tīng)器輸出端的電壓噪聲譜密度VO為

(15)

3 噪聲仿真及測(cè)試

3.1 放大器自噪聲仿真及測(cè)試

與集成運(yùn)放相比,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管具有更低的1/f噪聲[17]。為了在第一級(jí)獲得非常低的等效輸入噪聲,典型的低噪聲結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及集成運(yùn)放的噪聲性能對(duì)比如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵器件電壓噪聲

選取LSK170和OPA827兩種低噪聲元件設(shè)計(jì)前置放大器。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器原理圖如圖6(a)所示。電壓信號(hào)Vin交流耦合后,從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入,經(jīng)漏極輸出到運(yùn)放,運(yùn)放輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)負(fù)反饋改變結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極電壓值,構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),提高了輸入結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)管的輸出穩(wěn)定性,并減小非線性失真。圖6(b)為經(jīng)典集成運(yùn)放放大器構(gòu)成壓電水聽(tīng)器電壓放大器的原理圖。

圖6 原理圖

根據(jù)式(10)、(17)分別對(duì)基于兩款不同結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)管的低噪聲放大電路、低噪聲集成運(yùn)放放大電路進(jìn)行噪聲仿真,放大電路的等效輸入噪聲仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可看出,基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的前置放大器噪聲性能更優(yōu),且具有較低的1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率。

選取噪聲性能較好的集成運(yùn)放ADA4625、OPA827及結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管LSK170、LSK389作為放大器主芯片,制作4款前置放大器,如圖8所示。

圖8 4款前置放大器實(shí)物圖

測(cè)試時(shí)采用Agilent35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量前置放大器輸出噪聲功率譜級(jí)[18]。

1 kHz頻率下,4款放大電路的等效輸入自噪聲仿真值及實(shí)測(cè)值如表1所示。由表1所示測(cè)試結(jié)果可得,在測(cè)試頻帶內(nèi),基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)管LSK170的放大器具有較好的噪聲性能。

表1 4款前放等效輸入噪聲譜密度

3.2 球形壓電水聽(tīng)器

壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶材料,具有較強(qiáng)的壓電性能和較高的機(jī)電耦合系數(shù),與大多數(shù)的磁致伸縮材料相比,壓電陶瓷具有更小的介電損耗因子,且其形狀易定制[19]。

本文所用水聽(tīng)器為球形壓電水聽(tīng)器,如圖9所示。球形壓電水聽(tīng)器具有中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),無(wú)水平指向性,垂直探測(cè)范圍大,工作頻帶內(nèi)靈敏度起伏小等特點(diǎn),常用作接收水聽(tīng)器或標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器,廣泛應(yīng)用于探測(cè)、通訊、計(jì)量和校準(zhǔn)領(lǐng)域。

圖9 球形水聽(tīng)器

壓電水聽(tīng)器的球形敏感元件由2塊徑向極化空氣背襯PZT-5H壓電陶瓷半球拼接而成,其介電損耗為1%,靜態(tài)等效電容為5.6 nF。敏感元件與支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)去耦橡膠實(shí)現(xiàn)柔性連接,采用硫化透聲橡膠覆蓋工藝對(duì)敏感元件腔體做防水處理,并提高水聽(tīng)器耐壓能力。壓電陶瓷球殼在聲壓作用下產(chǎn)生形變,從而產(chǎn)生電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)內(nèi)置前置放大器調(diào)制放大后由電纜輸出,提高信號(hào)抗干擾能力。

3.3 帶前放水聽(tīng)器自噪聲測(cè)試

選擇基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)管LSK170的放大器作為水聽(tīng)器前放,建立水聽(tīng)器與放大器的SPICE模型如圖10所示。

圖10 SPICE仿真模型

為了測(cè)量水聽(tīng)器的自噪聲,首先需將水聽(tīng)器從環(huán)境中分離出來(lái),即消除環(huán)境噪聲,參考國(guó)標(biāo)GB/T4128-1995,本次測(cè)試在全消聲室中進(jìn)行,全消聲室的截止頻率為40 Hz,本底噪聲為-1 dB,借助其電磁屏蔽,振動(dòng)隔絕等優(yōu)勢(shì),降低環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。測(cè)試時(shí),將水聽(tīng)器用軟性結(jié)構(gòu)吊放于全消聲室環(huán)境中,由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀通過(guò)電纜接收在測(cè)試環(huán)境中工作的水聽(tīng)器信號(hào)。并用現(xiàn)有低噪聲水聽(tīng)器(RESON-TC4032)比較測(cè)試結(jié)果。

如圖11所示,在全消聲室中搭建水聽(tīng)器與前置放大器的自噪聲測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試系統(tǒng)主要由待測(cè)內(nèi)置前放水聽(tīng)器、丹麥低噪聲水聽(tīng)器(RESON-TC4032)、吊置物架及Agilent35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成。

圖11 消聲室測(cè)試

噪聲譜級(jí)NSP表示為

NSP=NSD-A-Meff

(16)

式中:NSD為實(shí)測(cè)噪聲譜;A為前放增益;Meff=-190 dB為水聽(tīng)器靈敏度。

帶前置放大器水聽(tīng)器的自噪聲測(cè)試結(jié)果如表2所示。本次測(cè)試結(jié)果與TC4032自噪聲譜[20]、Knudsen零級(jí)海況噪聲譜[21]進(jìn)行比較,如圖12所示。

表2 噪聲譜級(jí)

圖12 測(cè)試結(jié)果比較

4 結(jié)束語(yǔ)