一种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究

第31卷 第 4期 2008年 8月 电 子 器 件 Chinese JournaI Of Electron Devices Vo1．31 No．4 Aug．2008 Optimal Design and Resem~h of Small Signal Amplifier with Low Power Consumption jl Da—xiong ’¨ ，CHEN Xiao-zhen。，LIUJian ，FENG Xi—sheng r1．StateKeyLaboratory ofRobotics，ShenyangInstitute ofAutomationChineseAcademy ofScience，Shenyang110016，China； l 2．Dept of Electronic Science，NJU，Na ing 210093，Ghina； l 3．Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China Abstract：For the problems of the small signal which travels from the distance and the limited power of a— coustic receiver underwater．a kind of design for acoustic general amplifier is presented with lOW power consumption，high gain amplification and low sensitivity to the errors of passive elements．The electro-cir— cuit system is made up of preamplifier and band-pass filter which comprises four operational amplifiers in series instead of RC low-pass net．This design is applied to possess capabilities that the high gain amplifi— cation of small signal and pre-whitening process of sea noise background．The computation of poles of the transfer function shows that the designed amplifier is stable．Sea test proves that the system has merits of high precision，good adaptability，stable performance and lOW power consumption． Key words：high gain；pre-whitening；preamplifier；stability；lOW power consumption EEAGC：7220 一 种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究 冀大雄 。 ，陈孝桢 ，刘 健 ，封锡盛 r1．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳 110016； I 2．南京大学电子科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，南京 210093； f 3．中国科学院研究生院，北京 100049 摘 要 ：针对远距离声源发射的水声信号微弱、水声接收设备电源能量有限的特点，提出一种功耗小、对无源元件误差灵敏度 低、高增益放大的微弱水声信号通用放大电路。系统采用场效应管共源单调谐放大器为前置放大级，由四级级联低功耗运放构 成带通滤波放大电路，省去传统的R、C低通网络，实现了对微弱水声信号的高增益放大和海洋背景噪声的归一化处理。通过计 算电路网络传递函数极点证明了电路系统的稳定性。海上使用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明系统具有精度高、适应性强、电路稳定性好、功耗小等优点。 关键词 ：高增益；预白化；前置放大；稳定；低功耗 中图分类号：TB52．4 文献标识码：A 文章编号：1005-9490(2008)04-1303-04 对于由电池供电的水下声学设备，要求电路功 耗小，满足设备长时间工作需要，所以必须对接收机 电路进行低功耗设计。远距离声源发射的水声信号 到达接收设备时已十分微弱，其在水声换能器产生 的电压信号通常只有十几微伏，往往淹没在背景噪 声之中，因此必须对十几千赫的水声信号进行宽带 滤波和无失真放大，而采用宽带型运算放大器容易 带来功耗较高的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。以往设计有源带通滤波电路 时常把运放假设为理想运放而不考虑实际运放高频 相应下的低通特性[1 ；或者把运放的有限增益一带 宽积作为限制通频带宽的不利因素，极少利用实际 运放的低通特性。本文设计一种应用于定位声纳接 收机的低功耗滤波放大电路，采用四级低功耗运放 和R、C高通网络相级联。用四级运算放大器代替 传统的R、C低通网络，起到带通滤波和高增益放大 的双重作用。由于滤波电路的性能对分离元的误差 收稿日期：2007—10—22 作者简介：冀大雄(1981一)，男，博士研究生，研究兴趣为AUV导航定位技术、水下遥控、遥测、水声电路系统。 维普资讯 http://www.cqvip.com 1304 电 子 器 件 第 31卷 相当灵敏，所以这种设计还有一个明显好处，它可以 避免过多R、C分离元件引入电路造成滤波性能下 降。为验证系统的稳定性，通过线性系统中的稳定 性判定方法证明系统是稳定的。该放大电路由前置 放大级和限幅滤波放大电路组成，能够完成对微弱 水声信号的宽带滤波、无失真高增益放大和对海洋 背景噪声的归一化处理。 1 低功耗放大电路优化设计 设信号为正弦波，频率12．5 kHz，峰值电压15 V， 要求放大到+5 V，并且能够对海洋背景噪声进行归一 化(关于海洋背景噪声的详细论述请参考文献E2-3]~， 要求放大器静态电流不大于1．5 mA。 1．1 前置放大 前置电路主要功能是对换能器输出电压进行初 级放大，隔离信号源与后级放大电路之间的耦合作 用。由于换能器输出微弱的电压信号现，因此前置 放大电路必须具有低功耗、低噪声、高内阻和高抗干 扰能力。该设计采用结型场效应管共源单调谐放大 器作为前置放大级(如图 1)。选用 3DJ9J结型场效 应管，其跨导大于 3 000 ，栅源电容约为2．8 pF，饱 和漏源电流约 1 mA，具有良好的低功耗、低噪声和 宽频带特性。LC调谐 回路作放大器漏极负载，有 利于增强放大电路的选频能力，减小电源输出电流， 提高放大倍数。电路实验表明，前置放大器放大增 益为 35 dB，电路调谐于 12．5 kHz，品质因数为 4。 对于最小幅值 15 V的输入电压，至少可放大到 0．6 mV。实验表明，该电路的调谐频率和品质因数 与场效应管的等效参数有较大关系。在实际电路中 需要调整外接的R、I 、C元件的参数。负载电阻R 同时也是下级限幅放大器的输入电阻，若过高，在电 路输入端容易引入噪声，使信号受到污染，所以应减 小Rz，即减小下级限幅放大器的输入电阻，这样在 使本级选频特性不变的情况下，可较大地改善下一 级限幅放大器的性能。 图 1 前置放大电路 1．2 限幅滤波放大 该电路对从前置放大级送来的信号进行滤波和 高增益放大。对于由电池供电的水声电路系统，要 求电路性能稳定可靠，且功耗较低。选取低功耗运 算放大器 OP191，其开环增益为 97 dB，转折频率为 42．86 Hz，单位增益带宽为3 MHz，40 dB闭环增益 的转折频率约为 12 kHz。一个运算放大器的增益 肯定是不够的，通过计算分析需要采用四个放大器。 所以对于十几千赫的水声信号，放大电路要采用四 级级联运放，每级放大器输入端增加一个 R、C高通 滤波电路，如图 2所示。运放同相端接 1／2电源电 压，作放大器的直流偏置电压。四运放输入阻抗均 为 10 M，增益 一带宽积 3 MHz，静态工作电流 0．3 mA，具有高共模抑制比、高输入阻抗、0 dB开 环增益大和低功耗等特点。每个运放器电源端对地 均并联一个 0．1的 CBB电容，消除电源高频干扰。 图 2 限幅滤波放 大电路 与前置放大电路幅频响应特性不同的是，限幅 滤波放大电路中心频率不设在 12．5 kHz，而设在 4 kHz，这样做的目的是将海洋背景噪声功率谱展 宽，在通频带内将海洋背景噪声变成平坦的白噪声， 有利于信号检测。 1．3 增益与频率特性实验分析 微弱信号放大器关键问题在于高增益和频率相 应特性。我们对设计的放大器的增益和频率特性在 电路实验室分别做了实验。下面对实验结果进行计 算分析。 若不发生限幅，电路设计中取 R 一2 MI2，R 一 90 kt2，R7—270 kt2，R6—13 kt2，R9—270 kt2，R8— 13 kt2，R11=390 kt2，R10=-24 kt2，对于12．5 kHz正 弦波，其放大倍数可估算为 Av l—l Av ·Av2·A ·A l—l(一是)(一卺)(一卺)(_ R l。1)l= j一 90 10一 13 10一 13 10一 24 10 f≈1．56×10 (1) 』 ×0 ×0 ×0 ×0 l～⋯⋯ 、 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 冀大雄，陈孝桢等：一种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究 1305 可见当前置放大电路输出为 0．6 mV时，只要 AV>5000，限幅放大电路 的输 出就会发生限幅。 由(1)式知道，限幅放大器输出的是近似的方波，再 经过进一步限幅处理，足以满足极性拷贝相关器所 需的方波信号[4]。 电路实验表明，设计的限幅放大器具有 i．8 kHz'--13．5 kHz的通频带，中心频率约为4 kHz，中 心频率处的增益约为 83 dB，12．5 kHz处的增益约 为 72 dB。 对设计的整个微弱信号放大电路进行了电路实 验，根据实验数据用Matlab绘图工具绘制幅频响应 曲线，如图 3所示。放大电路幅频响应曲线在 1．8 kHz到13．9 kHz频带的平均斜率约为7 dB／倍频 程，与该频带内海洋背景噪声谱线的斜率成反比例关 系[2-3]，能够预先对有色噪声进行白化滤波处理，满足 拷贝相关器对噪声的输人要求[4 ；12"---14 kHz频带 内的电压增益大于 120 dB，完全能够将微伏量级的微 弱信号放大到数字处理电路需要的电平。 1 l l 1 鲁 - ● ‘ - -I一 -÷÷{_ ⋯ 一 ， ． ． ．上．． -● X ． }¨．⋯ ●● - - ●●●● 。1-t’。 -● 。1‘1。t ● ● ● ● ： ⋯ 0一 -●-- ．．j— i ⋯ t一 ⋯ ’～1一 { 图 3 微 弱信号放大 电路幅频响 应曲线 用数字电流表测得放大器静态工作电流为 1．4 mA，满足了低功耗设计要求。 2 放大电路的稳定性 2．1 前置放大电路传递函数 为考察电路系统的稳态响应特性，采用网络传 递函数描述电路的输人与输出关系。由于输人信号 很小，并且频率较低，场效应管工作在线性放大区， 可用小信号模型分析如图所示的共源电路[1]。LC 调谐回路作源极负载，设 g 是共源小信号低频互 导，rd场效应管输出电阻，可以得到： Hm(5)一一t]0 gm(Rdlira) (2) Ui 将Ra一意／／ ／／ ／／sL 代人上式得 一 兰 + (3) 显然，这是一个具有电压增益的二阶带通滤波器。 由式(3)，得到滤波器的中心频率(co。)和品质因数 (Q)分别为 60o一 —=== __== (3)， ~／(C1+C3)L1 Q一 ，＼／~／Q L+ G-’ (4) 2．2 限幅滤波放大电路传递函数 以往分析由运放组成的电路时，几乎都将运放 视为理想运放。实际上运放并非表现开环增益无穷 大，当信号频带远小于运放的特征频率时，运放的频 率特性可以表示为一介积分单元[5]。因此尤其在运 放频率特性的高频端，实际运放与理想运放的频率 响应相差很大。将运放模型表示为一个单极点传递 函数ko／(1+5r0)，其中k。是运放的开环增益，r0是 运放模型的时间常数。对于图 2所示的第一级运放 电路网络，运放反相输人端 点处的电流方程和运 放的电压传输方程分别为： 二年 +下"[o--Vn (5) R4+ 。 R5 意 Vo 一 —l—+ 。_sro n 令 r1一RsC4，rz—R C4，联合以上两式得 H1(5)一 一V0一 Q! (ro + ro r2)5 + (ro+ r1+ r2+ k0r2)5+ (1+ k0) (6) 再令 Avn一 丽 1 — — l ㈨ = ／ 一 l 一+ko } (7) ㈨ 一一 } ) Qo 一 v／( 1+ k o)(iro rl +for2)f 则有 H1( ～ 鲞 (8) s + s+ 显然，这是一个典型的二阶带通滤波器。运用 类似方法，可得到第二、三和四级运放电路网络的二 阶传递函数。由图 2所示，电路系统能够独立表示 成二阶节级联形式。运用基于独立二阶节的电路分 析方法，通过求解电路网络传递函数极点，分析电路 系统的稳定性 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 1306 电 子 器 件 第31卷 2．3 稳定性分析 从控制系统角度看，设计的放大电路属于开环 控制系统，各级联电路的稳定是系统稳定的充要条 件。根 据 式 (3)、式 (4)可 得 到 rd — p — — — — — — 一 取 R2—1 M ，Cl一1．2 nF，C2 (c1+G)R2 一1 一 10 pF，cOO一12．5 kHz，Q一4，并代入上式得 ，-d一 43．7 kQ。于是式(2)的两个极点分别为一9869± i80808，均位于复平面的左半平面，证明前置放大电 路是稳定的。 对反馈放大电路进行稳定性分析也是十分必要 的。取，k0—7000，r—I／(2n×42．8 Hz)≈3．713× 10～S，C4—1 nF，R5=90 kQ，R5—2 Mfl，代入式 (7)、式(8)，得到第一级运放电路网络传递函数的极 点为一292780．2和一30809．8，均位于复平面左半 平面。对于第二、三和四级运放电路网络，分别把每 级网络的R、c元件参数及运放一介模型参数代入 运放电路网络的传递函数，求出传递函数极点。数 值计算表明所有极点的实部均为负值。根据以上计 算和分析，可以证明设计的高增益滤波放大电路是 稳定的。 3 结论 利用运放的低通特性成功代替以往由 R、C网 (上接第 1302页) 的应用领域，尤其适合于阻抗或导纳的测量。 (2)该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可以部分地取代矢量型模拟锁相放 大器。对待测系统进行检测，信号幅度偏小时，可以 在D／A后接功率放大器，增大待测系统的激励信号 的功率，以期得到精度较高的检测数据。 (3)本设计的使用频率范围为 lO Hz～5 kHz， 可以进一步向高低频两端扩展，使之能充分发挥作 用。 致j射 感谢鲁永康教授在整个过程中给予的指导 和帮助! 参考文献： [1] Qiao RX，Meng XF，Wang YY_Comparison of three Methods of Waveform Recovery in the Presence of NoiseD]．6th Inter— national Symposium on Instrumentation and Control Technolo～ 络构成的低通滤波器，起到带通滤波和高增益放大 双重作用，还可有效地完成对海洋背景噪声的预白 化处理。该放大电路已成功应用于某定位声纳的信 号预处理，在 2006年海上试验中，设计的微弱信号 放大电路应用于长基线定位系统的海底应答器接收 机，最大作用距离大于 10 km，在海底连续工作 7 天，应答器接收数据准确可靠，成功地完成了海上试 验。海上应用表明它具有精度高、适应性强、电路稳 定性好、功耗小等优点，特别适用于水下目标探测系 统微弱信号的检测和预处理。 参考文献： [1] 康华光．电子技术基础：模拟部分(M)．北京：高等教育出版社， 1999． [2] (美)乌立克．洪申译．工程水声原理(M)．北京：国防工业出版 社 ，1972． [3] (英)A n Waite．王德石等译．实用声纳工程(M)．北京：电子 工业出版社，2004． [4] 冀大雄，陈孝桢，封锡盛，刘健，水声信号的窄带滤波方法研究 [J]．仪器仪表学报．2006，27(6)Z2；1351—1352-t-1357． [5] 陈思远，陈孝桢．有源微分电路设计[J]．电子器件．2003，26 (2)：155—158． E63 Lin Yue-Der，et a1．Preamplifier with a Second-Order High- Pass Filtering Characteristic[J]．IEEE Transaction on Biomed— ical Engineering．1999，46(5)：609—612． gY，OCT 13-15，2006． [2] Tang YJ，Wang X，Wang YQ，et a1．1st International Sym po— slum on Test Automation and Instrumentation[C]／／SEP 13— 16，2006． [3] Bi wH，Tang YJ，Yang XL．The Technique of Acquiring weak Signal in NIR Spectrometer~c3／／Conference on Infrared Co mponents and Their Applications，NOV 08—11，2004． [4] 高晋占．微弱信号检测[M]．清华大学出版社，2002． [5] 王江，杨建宁等．改善 DDS输出 LFM 信号谱质的方法[J]． 电子科技大学学报，2005(6)． [6] 方俊，张平．在 DDS波形发生器中相位截尾噪声的分析和抑制 [J]．仪器仪表学报，2003(1)． [7] 陈炳权，唐圣学．基于EP1K30TC-114的DDS的优化设计与 实现[J]．吉首大学学报(自然科学版)，2005(2)． [8] 刘朝军，许人灿等．DDS输出信号频谱结构的系统分析[J]．国 防科技大学学报，2005(6)． [9] 刘兰坤，潘明海．DDS的杂散分析及降低杂散的方法[J]．电 子器件，2007(2)． 维普资讯 http://www.cqvip.com