聚偏氟乙烯压电薄膜换能器前置放大模块设计

管　玲，　王　旭

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710075）

聚偏氟乙烯压电薄膜换能器前置放大模块设计

管玲，王旭

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710075）

基于前置放大模块的噪声特性直接影响聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜换能器的接收性能， 根据PVDF压电薄膜换能器的特点， 采用模拟信号处理中抑制噪声的关键技术， 实现与之配套的前置放大模块的设计， 总结了前置放大模块的设计要素， 利用Multisim 12对设计电路进行仿真， 并对该模块进行了实验室测试。试验结果表明，该模块输入噪声不大于-130 dBHz， 可满足水声信号处理设备的使用需求。

聚偏氟乙烯压电薄膜； 换能器； 前置放大模块； 水声信号处理

0　引言

水声换能器是水声信号处理设备的核心部件，目前常用的水声换能器为压电陶瓷换能器。聚偏氟乙烯（polyvinylidence fluoride， PVDF）压电薄膜是一种新型的高分子物性型传感材料［1］， 与压电陶瓷相比， PVDF 具有优良的柔软性、压电效应和热释电性， 还具有轻薄、高韧度、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂的表面、价格便宜及频带宽等特点， 有很好的时间和温度稳定性［2］，所以， 它很适合作为水声换能器的材料。与常用的压电陶瓷接收换能器相比， PVDF压电薄膜换能器是一低容性器件， 阻抗极高（106Ω）。其前置放大电路通常为电荷放大电路， 可将PVDF压电薄膜换能器的高阻抗输出变换成低阻抗输出， 同时也可放大水声换能器所输出的微弱信号［2］。

由电荷放大器构成的前置放大电路通常采用高输入阻抗、低噪声、低偏移宽带精密运算放大器， 故其输入噪声特性与所用运算放大器的输入噪声特性有密切关系。ADI公司生产的AD8601具有低偏置电流、低偏置电压、8 MHz的带宽以及高增益特性， 符合设计所需参数要求［3］。采用AD公司生产的放大器AD8601构成的前置放大模块， 折合输入噪声不大于-130 dB/Hz， 可以满足水声信号处理设备的使用需求。

1　电路基本结构

在水声信号处理设备中， PVDF压电薄膜换能器的应用主要是接收水声场微弱信号。前置放大模块将PVDF压电薄膜换能器输出的微弱信号放大成幅度较大的信号， 其放大倍数的确定以水声信号处理设备所接收的最大信号不被限幅为限。前级放大后的信号通过简单的滤波处理， 送入后级电路进行进一步的放大、动态压缩、滤波等处理， 以便满足A/D转换电路进行模数转换的需求。

单个前置放大模块的电路基本组成如图1所示。

图1　前置放大模块组成框图Fig. 1　Block diagram of preamplifier module

2　设计要素

2.1前级放大

前级放大位于前置放大模块的最前级， 设计时需要考虑： 1） 将换能器所接收的微弱信号无失真放大； 2） 输入阻抗； 3） 输入噪声。

这里， 输入阻抗和输入噪声十分重要， 其决定了前级放大是否会降低PVDF压电薄膜换能器输出信号的信噪比， 直接影响水声信号处理设备的信号检测能力。

2.1.1输入阻抗

输入阻抗主要考虑以下2个问题。

1） 阻抗匹配。要能够无损失地获取换能器的输出信号， 并且尽量减少前置放大模块内部发生的噪声， 提高该信号与前置放大模块产生的噪声比值， 需要提高前级放大的输入阻抗， 使它比换能器阻抗高很多。

2） 热噪声。电阻产生的热噪声由电阻内的电子热扰乱（布朗运动）引起， 电阻值越大， 热噪声也就越大。

2.1.2输入噪声

要想控制输入噪声就需要知道输入噪声的来源， 前级放大电路的噪声来源主要基于以下5个因素： 1） 换能器内阻产生的热噪声； 2） 决定增益的合成电阻值产生的热噪声； 3） 运算放大器内部产生的噪声即等效输入噪声电压； 4） 运算放大器输入端的噪声电流流过信号源电阻形成的噪声； 5）运算放大器输入端的噪声电流流过决定增益的电阻形成的噪声。

换能器内阻产生的热噪声由所使用的水声换能器决定， 这种噪声无法左右， 暂不考虑。

决定增益的合成电阻包括运算放大器输入端电阻和反馈电阻， 为了保证一定的放大倍数， 运算放大器输入端电阻远小于反馈电阻， 两者为并联关系， 故这一部分噪声主要由运算放大器输入电阻决定。运算放大器输入电阻越小， 噪声越低。但不能太小， 其下限必须远大于印制电路板铜箔的电阻值， 保证印制电路板铜箔的电阻值忽略不计。

上述5个因素中的3）～5）均由所选择的运算放大器的输入噪声电压和输入噪声电流特性决定。

2.2滤波

前置放大模块力求低噪声的同时希望电路尽可能地简洁。水声信号处理设备中常存在低频噪声干扰， 为了滤除这一部分干扰， 前置放大模块常采用低阶高通滤波器。

低阶高通滤波器设计时， 除了需要考虑滤波器本身的滤波特性外， 还需要综合考虑滤波器前端前级放大的驱动能力。其关键参数有： 1） 折合到输入端噪声； 2） 截止频率； 3） 阻带衰减量； 4）过渡段衰减量； 5） 不同频率信号通过滤波器造成的相位差。

目前， 滤波器的实现有2种方式： 一用运放、电阻和电容搭建； 二选用集成的芯片。虽然第1种方式受分离元件的精度和环境温度影响， 滤波精度很难提高， 但电路参数可以根据滤波器的指标自由设计； 第2种方式由于集成度的增加， 电路的可靠性和精度也得到了提高， 但滤波器的指标如折合到输入端噪声则会受到现有芯片技术水平的限制。

2.3二次电源

为了达到前置放大模块的各项指标， 对供电电源的处理原则如下： 1） 稳定提供运算放大器所需最小限度的电源电压； 2） 电源噪声大小直接影响放大电路的输出噪声； 3） 输入、输出动态范围决定工作时电源电压最小值。

3　电路设计

3.1薄膜特性分析

PVDF 压电薄膜上下表面均镀有电极， 电极上下表面可聚集不同极性的正、负电荷， 可用电容器模型来等效。所以， PVDF薄膜换能器的等效电路模型是一个和容性阻抗并联的电荷源等效电路（见图2）［4］， 或者是一个和容性串联的电压等效电路（见图3）。

图2　电荷源等效电路示意图Fig. 2　Schematic of equivalent circuit of charge source

图3　电压源等效电路示意图Fig. 3　Schematic of equivalent circuit of voltage source

由图2、图3可以看出， 这样的等效电路阻抗非常高， 且呈容性， 输出电压很微弱。

3.2前级放大设计

电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷量呈正比， 具有反馈电容的高增益放大电路。如图4所示。

图4　前级放大电路Fig. 4　Front-stage amplifying circuit

为了与上述PVDF压电薄膜换能器带来的特性进行阻抗匹配， 要求前级放大电路输入阻抗也要很高。电路中， R2决定了放大电路的输入阻抗，为了保证换能器接收的信号能量无任何损失， 与约20 pF的低容性PVDF换能器匹配时， R2的取值应为5～10 MΩ。

电路采用的电容反馈， 会导致零点漂移较大，为了使电荷放大器稳定工作， 在反馈电容C3上并联了一个反馈电阻R4。该电路中， R3， R4， C3值的大小和精度决定了电路的增益及相位特性。

3.3滤波设计

众所周知， 滤波器的幅频特性与阶数有关，阶数越高特性越好， 但电路就越复杂。受前置放大模块体积和噪声特性限制， 本设计采用AD8599公司生产的双运算放大器AD8599构建4阶高通滤波器， 滤波频率约10 kHz， 如图5所示。

3.4二次电源设计

在实际电路运用中， 通常使用DC-DC转换器来给运算放大器提供所需电源， 故消除DC-DC转换器的噪声十分重要， 首先要选择低噪声型的DC-DC转换器， 其次使用LC 滤波电路来消除噪声。常用电路如图6所示。

图5　4阶高通滤波电路Fig. 5　Circuit of fourth-order high-pass filter

图6　DC-DC部分电源电路Fig. 6　Circuit of DC-DC power

这部分电路常布置于安装前置放大模块主板上， 且多模块共用。前置放大模块内部为了防止存在于电源线中的交流干扰， 每块运算放大器IC片子的电源管脚都必须利用低感抗的电容器（比如0.1 µF的陶瓷电容器）对地旁路。这些解耦电容器有助于中和来自电源线和地线的非零电抗所形成的虚假反馈环路， 增加电路的稳定性。

另外， 电源线的分布电感大约以1 nH/mm速度增加， 为使分布电感最小， 措施更为有效， 接线头一定要短， 即电容器应装在靠近运算放大器的管脚。整块电路板在电源电压的入口点还应利用10 µF的极化电容器提供对电路板的旁路， 利用宽的地线， 使得整个电路板尽量保持一个电的纯净地的参考。整个电路板的供电旁路电容处理如图7所示。

4　仿真与计算

图7　运算放大器电源电路Fig. 7　Circuit of power for operational amplifier

Multisim是一种功能比较强大的电子电路仿真软件， 利用Multisim可以使设计与仿真同步［5］。采用Multisim 12 电子电路仿真软件对前置放大模块中的前级放大和滤波设计电路进行了仿真，并对设计电路的噪声进行了计算。

4.1前级放大电路仿真

前级放大仿真电路图见图 4， 采用Multisim 12自带的示波器测量前置放大电路的输入输出波形， 如图8所示。由图中可以看出， 该电路参数下相位特性和幅度特性接近理想状态。

4.2滤波电路仿真

滤波仿真电路图如图5所示， 采用Multisim 12自带的波特图示仪测量和显示该4阶高通滤波电路的幅频特性与相频特性， 参见图 9。由图中可以看出， 滤波频率为9.7 kHz（-3 dB点）， 带内平坦度0.5 dB。

图8　前级放大输入输出波形Fig. 8　Input and output waveforms of front-stage am plifying circuit

图9　滤波电路幅频特性与相频特性Fig. 9　Amplitude-frequency and phase-frequency char acteristics of filtering circuit

4.3噪声计算

前置放大模块的噪声起决定作用的是前级放大， 故对前级放大进行噪声计算。

根据奈奎斯特理论， 电阻产生的热噪声［6］

式中： VT是噪声密度， Vrms； k为玻尔兹曼常数（1.38*10-23J/K）； T是绝对温度， K； R表示电阻，Ω； B为带宽， Hz。

假设T＝300 K（27℃）， B＝10 kHz， 根据式（1）按照2.1.2节计算前级放大输入噪声， 得：

4） 噪声电流流过决定增益的电阻形成的噪声可忽略不计。

5　实验室测试

针对上述设计电路制成印制板， 调试合格之后用金属外壳封装。用频谱分析仪agilent 35670对该模块进行测试， 其滤波特性测试结果如图10所示。

图10　滤波特性曲线示意Fig. 10　Curve of filtering characteristic

将输入端短路， 测试该模块的噪声特性， 如图11所示。

图11　噪声特性曲线示意Fig. 11　Curve of noise characteristic

由图10和图11可以看出， 该电路的滤波特性实测结果与仿真结果基本相同。噪声特性实测结果与理论计算基本相符。

将PVDF压电薄膜换能器与前置放大模块输入端相连， 输入端双绞并尽量减短输入端引线长度。在水池环境下对其接收性能进行测试， 根据测试结果和PVDF压电薄膜换能器的接收灵敏度推算前置放大模块的折合输入端噪声， 结果不大6结束语

于–130 dB/Hz, 满足水声处理设备的使用需求。

文章根据PVDF压电薄膜换能器的特性, 设计了适应微弱电流的信号前置放大模块, 给出了前级放大、滤波以及电源处理的设计要素、具体设计电路, 以及电路噪声特性的详细计算, 通过电路的仿真与测试, 结果达到设计目标, 满足水声测试设备的应用需求。

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(责任编辑: 杨力军)

Design of Preamplifier Module for Piezoelectric Thin Film Transducer in Polyvinylidence Fluoride

GUAN Ling，WANG Xu
（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710075， China）

The noise properties of a preamplifier module directly influence the receptivity of a piezoelectric thin film transducer of polyvinylidence fluoride（PVDF）. According to the characteristics of the PVDF piezoelectric film transducer， this paper designs a preamplifier module to match the transducer. Interferences and noises are eliminated by the anti-interfere technology applied for analog signal processing. The design factors of the preamplifier module are considered. The design module is simulated via the software Multisim12 and tested in laboratory. The results show that the input noise of this module is lower than -130 dB/Hz， which infers that the designed preamplifier module meets the requirement of underwater acoustic signal processing equipment.

polyvinylidence fluoride（PVDF） piezoelectric thin film； transducer； preamplifier module； underwater acoustic signal processing

TJ630.34； TB564

A

1673-1948（2015）05-0423-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.006

2015-05-26；

2015-07-17.

管玲（1968-）， 女， 高级工程师， 主要研究方向为应用电子技术.