一种高Q值单频水声信号放大提取电路的设计

李明勇，魏爱娟，兰 江

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

0 引言

水声信号的检测与提取在水中目标探测与识别、水声通信、遥测、海洋资源勘探等军民领域有着广泛应用。水声信号的检测与提取是水声信号处理的非常关键一步，只有可靠、准确地检测出水声信号，后续的定向、定位、参数估计、目标识别、跟踪和态势估计等方可有效开展。然而水声信号所处的环境复杂，背景噪声源众多，如何将这种水声信号进行探测和提取成为研究热点和难点[1，6]。吴光文等提出了一种基于小波变换的水声信号滤波方法，提高了水声信号的特征[2]；吴剑明等设计了一种两级程控增益的水声信号放大电路，有效避免了不同幅值信号造成信号饱和问题[3]；邓秀华等对水声信号的检测与处理提出了分析与处理方法[4]；肖鹏斌等采用运放LM382搭建了一种水声信号预处理电路，检测精度良好，工作较为稳定，抗干扰能力强[5]。童峰、马定坤等分别在水声信息延估算法和接收机设计方面做了研究工作[7-8]。文中设计了一种JFET型超低噪声前置放大电路，并提出了一种高Q值选频电路，有效抑制了水声信号中的背景噪声并提高了信噪比。

1 JFET型超低噪声放大电路

1.1 JFET型超低噪声放大电路设计

在某型水下探测设备中需要发射和接收特定频率的信号，通过检测回波信号对目标进行探测和辨识，发射机发射的频率80 Hz。由于在水中背景噪声源多、海况复杂，接收机探测到的信号噪声多、干扰大，如何对信号的放大、提升信噪比对前置放大器提出苛刻要求。另一方面，JFET具有输入阻抗大、电压噪声低等优点，适合用于第一级放大电路。结合两者的特点，设计了如图1所示的JFET型超低噪声放大电路。

图中C1和R1构成高通滤波，滤除水声信号中的直流偏置，第一级放大采用2只超低噪声JFET管2SK170(≤0.9 nV/Hz1/2)并联，通过并联的方式能够有效降低管子噪声。理论上讲，n只管子并联可将管子等效噪声降低为1/n1/2，但综合考虑功耗、放大器尺寸、成本等因数，管子不宜选的过多。放大方式采用典型的共源级放大，R3为自偏置电阻，保证JFET管在工作时Ugs＜0；C2可保证交流通过，提高第一级电路增益；R2为连接漏极，此级电路放大倍数为

第2级放大电路采用低噪声运算放大器OPA211，连接方式为同相放大。其中C3、R4组成高通滤波，滤除第一级放大电路的直流成分，截止频率f＝1/(2πC3R4)≈0.1 Hz，R5、R6构成反馈网络，此级放大电路增益满足

过第一级和第二级放大，总体增益可达70 dB。

1.2 JFET型超低噪声放大电路噪声分析

图2为JFET型超低噪声放大电路噪声示意图，其中Uin为信号源，Rs为信号源阻抗，Cin为折算后的等效输入电容，Rb为JFET的g极和s极之间的电阻。in1和in2为 JFET 的电流噪音，en1、en2、en3为JFET的电压噪音，entotal为等效后的总噪声。

下面对总噪声entotal进行计算，in1为电流冲击噪音，与JFET的g极和s极间的泄露电流IG有关，具体如下

式中：q为单位电荷；IG为泄露电流；B为带宽。

in2为g极经电容(Cgd)从沟道电流耦合的电流大小，当Cgd较小且沟道电流也较小时可以忽略。因此，电流噪声产生的电压噪声满足

en1为JFET沟道热噪声，由载流子随温度变化引起；en2为gs极间电阻Rb的热噪声；en3为 JFET的1/f噪声，可以通过JFET数据手册直接获取；en1、en2分别满足

式中：ind为JFET沟道电流噪音；gfs为JFET跨导系数；k为波耳兹曼常数；T为绝对温度；A为JFET类型参数，对于N沟道JFET，A≈0.67。至此，可以估算出JFET型超低噪声放大电路噪声如下

2 高Q值选频电路设计

由于JFET型超低噪声放大电路放大的信号含有多种频率的噪声，为了进一步提升检测信号的灵敏度，需要设计带通滤波电路。由于采用传统的Sallen-Key型或MFP型结构设计80 Hz左右的带通滤波电路效果并不理想，文中设计了一种高Q值选频电路，其电路结构如图3所示。

结合图3，对高Q值选频电路工作原理说明如下：令C＝C1＝C2＝C3/2，R＝R2＝R3＝ 2×R4，U1为信号输入，Uo为信号输出，节点电压用Ua、Ub、U2、U3、U4表示，根据节点电压法和运算“虚短”、“虚断”特点，可列出以下方程

经过计算可得到高Q值选频电路的传递函数满足

参照图3中的参数，取C＝100 nF，R＝9.95 k，R1＝R7＝R5＝1 k，R6＝ 100 k，s＝jω＝ j2πf，那么式(9)可简化为

3 仿真与试验结果

3.1 仿真

利用Multisim14根据图1搭建仿真电路，并对电路的自噪声进行分析，得到如图4的结果。

通过仿真结果表明，设计的JFET型超低噪声放大电路的自噪音在1 Hz处仅为2.4 nV/Hz0.5，在10 Hz处的噪音仅为1.7 nV/Hz0.5，能够满足水声信号探测的要求。

再利用Multisim14根据图3搭建高Q值得选频仿真电路，得到如图5的仿真结果。

通过图5可以看出，设计的选频电路具有优异的选频性能，在中心频率80 Hz处，信号增益约为6 dB，在远离中心频率处信号增益仅为-34 dB。将仿真数据导出后，可以得到-3 dB的频率fL＝78.4 Hz和fH＝81.5 Hz，带通滤波器带宽仅为3.1 Hz，其Q值可达fc/(fH-fL)＝25.8。

3.2 试验

为了进一步验证仿真结果，设计了如图6所示的电路，该电路包括信号放大、信号调理和信号采集功能，测试试验中仅焊接放大和信号调理部分。

由于输出噪音主要受运放的第一级影响，测出系统的总的输出噪音后，即可反推出系统的输入噪声大小。在低频段，JFET型放大电路噪声以1/f噪音为主，因此可根据公式推导出其在1 Hz的噪音大小。具体测量方法如下：

1)将JFET放大电路的输入端接地；

2)将输出端连接增益为30 dB的0.1～10 Hz带通滤波器；

3)将滤波后的信号接入示波器，观察输出信号的峰峰值，并转换为有效值，转换关系为Up-p≈6Urms；

4)计算输入噪声，由于总增益为70 dB+30 dB＝100 dB，即100 000倍，输入噪声为

5)推算出En后，即可估算在1 Hz处的输入噪音功率密度谱大小。估算方式如下

图7为示波器测量的输出信号峰峰值，时间档位1 s/格，电压档位 5 mV/格，信号峰峰值为4.8 mV，表1为多次测量结果。

表1 输入短路情况测试结果Table 1 Test results under condition of input short circuit

4 结束语

文中采用“JFET+同相放大”电路结构作为水声信号的前置放大级，在双T滤波器特点基础上优化设计出一种高Q值选频电路；分析了前置放大电路输入噪声计算方法并推导出高Q值选频电路工作原理。通过Multisim14仿真表明：设计的电路在1 Hz处的电压噪声密度仅为2.4 nV/Hz0.5，滤波器Q值可达25.6。实际电路的测试结果表明：1Hz处的电压噪声功率谱密度为2.84 nV/Hz0.5，与仿真结果接近，整体电路能够满足水声信号的测量要求。