一种跨阻式微电容信号检测电路的设计与测试

杜春晖

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；



一种跨阻式微电容信号检测电路的设计与测试

杜春晖1，2

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；

2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

摘要：针对微电容超声波换能器的信号检测，设计了一种跨阻放大检测电路，并对其检测原理进行了分析；建立了跨阻放大检测电路运算放大器的噪声模型，并对其进行了理论分析，最终给出了测量电路噪声峰峰值的计算公式。通过模拟测试得到了电路的实际最小分辨率为10×10-10A，电路的输出线性度为5.3%。通过对微电容超声波换能器收发系统的水下测试可知，该跨阻放大检测电路测量误差为2.3%，能够精确地测量换能器与障碍物的实时距离，为换能器在超声成像系统中的应用奠定了基础。

关键词：CMUT；跨阻放大检测电路；噪声模型；测试

超声成像作为近代一个新兴的研究课题引起各国研究人员的关注，其广泛应用于医学成像、工业无损检测、水底成像等研究领域[1]。其关键部件CMUT由于声阻抗与气体和液体的声阻抗相近，不需要额外的匹配层就可以达到良好的阻抗匹配；制造工艺可与IC制造工艺相兼容[2]，集成度高，体积小，因而得到了广泛的应用[3]。但是微电容超声波换能器在接收外界超声激励时，自身的电容变化仅为飞法级[4]，远小于检测电路中的杂散电容，针对此本文设计了一种跨阻式微电容信号检测电路，把对电容变化的测试转换为对微小电流的精度测试，该电路的主要噪声为由杂散电容通过运放后产生的噪声[5]，去除噪声便成为电路设计的关键。

1跨阻式微电容检测电路设计与噪声分析

1.1检测原理

检测电路原理图如图1所示，CX为微电容超声波换能器的等效模型，CS1、CS2分别为电路的等效杂散电容。Rf为反馈电阻，在电路中形成的深度负反馈将超声作用下的微弱电流信号转换为较强的电压信号输出，从而实现声电转换。Cf为相位补偿电容，在消除自激振荡、稳定输出波形方面有重要的作用。在正输入端，用电阻与电容的并联网络取代了传统的直接接地的方式，电阻R是为了补偿因Rf过大所造成的直流误差，R上并联的电容C4用于除去因R引进的杂散噪声。

图1　检测电路原理图

1.2噪声模型分析

电路的噪声主要取决于杂散电容经过运算放大器后的噪声大小，所以主要对运放噪声进行分析。如图2所示为只考虑运放电压噪声和电流噪声的微电容测量电路模型。Eop表示运放的噪声电压，Iop表示运放的噪声电流，由于运放噪声频率主要集中在1 kHz～10 MHz，因此主要对这个频带内的噪声进行分析。

图2　检测电路的噪声模型

对于噪声电流Iop，在输出端对应的有效值表达式为：

(1)

对应峰峰值为：

(2)

对于噪声电压Eop，在输出端对应的有效值表达式：

(3)

对应峰峰值：

(4)

运放的总噪声峰峰值为：

(5)

分析公式(2)和(4)可知，电流噪声的大小完全取决于反馈回路电容和电阻的大小以及运放噪声电流功率谱密度，而电压噪声除了受反馈回路电容和电阻大小以及运放噪声电压功率谱密度的影响外，还受超声波换能器电容变化量与杂散电容的影响，且杂散电容远大于被测电容，所以杂散电容成为决定电压噪声的主要因素。根据公式(5)可知，电路的总噪声主要由电压噪声决定，也就是由杂散电容决定。本次实验所选用的参数为Cf=9 pF，Rf=1 MΩ，R=1 MΩ，C4=100 pF，若杂散电容CS=100 pF，根据公式可以计算出电路噪声的峰峰值为2.45×10-4V，若选取反馈电阻为1 MΩ，则其对应检测电流精度可达2.45×10-10A。

2实验结果

2.1信号检测电路的模拟测试

用信号发生器模拟超声波换能器输出正弦激励信号，经过一个10 MΩ的电阻转换成一定量级的等效电流信号，将该信号接入跨阻放大电路的输入端，调节信号发生器输出电压的大小，同时通过示波器观察跨阻放大电路的输出波形，并记录电压峰峰值，不同输入信号下示波器的波形如图3所示，输出电压峰峰值如表1所示。

图3　不同输入信号下的输出信号波形

由实验数据可知，电路可测量的最小电流，即电路的实际分辨率为10×10-10A，而等效噪声模型下的最小电流为2.45×10-10A，测试值量级与理论计算的量级相符，证明该电路可用于微弱信号的提取。

将表1中输出电压的理论值与测试值进行拟合，并将拟合曲线显示在同一个坐标系中，如图4所示，可以看出该测试电路具有良好的输出线性度，经过计算可知，测试曲线与理论曲线的相对误差为5.3%。

表1　实验测试电路输出峰峰值

图4　输出电压的理论值与实际值的拟合曲线

2.2信号检测电路的系统测试

为了在系统测试中验证该电路的性能，对其进行了水下测试系统的搭建，系统测试示意图如图5所示。A为超声发射传感器，B为超声接收传感器，由A发射出的超声波经水下障碍物反射后由B接收，再经过本文设计的跨阻放大检测电路后，用示波器对其测试信号进行显示。

图5　系统测试示意图

实验结果如图6所示，通道2的信号为传感器的发射信号，每一个周期的发射中包含15个等间距的脉冲信号，通道4中包含有1个耦合信号和4个回波信号。通过发射信号与一次回波信号的时间差，及超声在水下1 540 m/s的传播速度，可以计算出传感器与障碍物之间的距离，通过多次测试得出测试的相对误差为2.3%，由此即可实现水下实时超声

距离。

图6　系统测试电路输出波形

3结论

本文对跨阻放大检测电路的原理进行了分析，建立并详细分析了电路的噪声模型，计算出了电路的理论最小分辨率，通过对电路的模拟测试得到了实际最小分辨率，实际测试值与理论值虽有一定偏差但属于同一个数量级，基本达到设计要求，能够满足实际的测试需要。对于造成偏差的原因可能存在于以下三个方面：一是对运放供电时引入的电源噪声；二是PCB板在布线时，因元件的相对位置、过多的平行导线等引入的杂散噪声；三是元器件自身引入的噪声。若后续能够从这几个方面进行优化改进，该电路的性能将进一步提升，为微电容检测提供一条途径，为水下微电容超声换能器的实际应用奠定一定的基础。

参考文献

[1]张慧，宋光德，栗大超，等.一种微加工超声传感器的设计[J].天津大学学报,2008,41(1):17-20.

[2]ECCARDT Peterchristian,NIEDERERK,SCHEURERT.Surface Micro Machined Ultrasound Transducers in CMOS Technology[J].Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium,1996,2:959-962.

[3]于佳琪.基于Si-SOI键合技术的微电容超声波换能器设计[D].太原：中北大学,2014.

[4]王雷，王保良，冀海峰，等.电容传感器新型微弱电容测量电路[J].传感技术学报,2002(4):273-277.

[5]刑文奇，胡红利，闫洁冰.一种参比电容传感器接口电路设计及性能评估[J].仪表技术与传感器,2013(7):5-8.

[6]薛鹏，彭黎辉.杂散电容对交流法微电容测量电路噪声特性影响的分析[J].仪器仪表学报,2011,32(2):285-287.

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

作者简介：杜春晖(1986- )，男，山西吕梁市人，助理工程师，硕士，研究方向：测试计量与自动控制。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0038- 03

中图分类号：TN721.5

文献标识码：A