面向CMUT换能器的微弱信号检测电路设计与分析*

孟亚楠,何常德,张斌珍,张文栋,吴子君

(1.中北大学 动态测试技术省部共建实验室,山西 太原 030051；2.国网山西省电力公司朔州供电公司,山西 朔州 036000)

0 引 言

随着超声成像系统的发展,超声换能器作为其核心部件广泛应用于国防、医疗、工业等领域。电容式微机械超声换能器[1～3](capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)因其宽频带、易于制造二维阵列、微型化和高机电转换效率等优势,已成为一种重要的新型超声换能器。CMUT换能器在接收超声波信号时,其薄膜在超声波声压作用下发生振动,导致CMUT换能器极板间的电容值发生改变,然而改变量为皮法(pF)级,输出信号非常微弱,因此设计出低噪声、高增益、宽频带的信号检测电路对CMUT的研究发展具有重大意义。

根据不同的CMUT换能器信号检测原理,本文设计了应用于CMUT换能器微弱信号检测的电荷与跨阻放大电路[4～7]结构,分别实现将CMUT换能器产生的电荷、电流信号转换为电压信号,并将其进行放大。针对这两种不同的电路结构,分别进行理论、仿真、实验的分析与对比,最终选出一种更为适合CMUT换能器信号检测的接收电路[8,9],为后期CMUT换能器信号的采集与成像处理提供精确的信号值。

1 CMUT换能器的工作原理

单个CMUT阵元(图1(a))是由多个CMUT微单元结构按照一定的排列规则并联而成,每个CMUT微单元结构包括上电极、下电极、振动薄膜、绝缘层、硅衬底以及真空腔。

CMUT换能器既能发射超声波信号,也能接收超声波信号。CMUT换能器接收超声波信号时,将直流偏置电压施加至 CMUT换能器上下电极之间,在外界超声波的作用下,振膜产生振动,引起CMUT换能器上下电极距离发生改变,导致CMUT换能器的电容发生变化,在直流偏置电压的作用下产生感应电流,CMUT换能器接收状态[9]如图1(b)所示。

图1 CMUT换能器结构与工作原理

在此状态下,CMUT换能器的电容为

C(t)=CDC+ΔC

(1)

式中CDC为CMUT换能器在施加直流偏置下的电容值,ΔC为CMUT换能器在声—电转换状态下产生的电容变化量,CMUT换能器的电荷值为

Q=C(t)VDC

(2)

式中VDC为施加在CMUT换能器上下电极之间的直流偏置电压,CMUT换能器产生的电流值为

I=VDCdC(t)/dt

(3)

针对CMUT换能器在接收超声波信号时产生的电荷信号与电流信号[10],根据不同的检测原理设计出电荷放大电路与跨阻放大电路。

2 CMUT换能器微弱信号检测电路设计

本文所设计的电荷放大电路与跨阻放大电路结构相同,但两者工作原理不同,区分为核心元器件的参数不同,电路结构如图2所示。R2是补偿电阻,其作用是保证运放差分输入级的对称性,与R2并联的C1的作用是消除R2上的杂散噪声,从而降低整个电路结构的噪声。R1起到了分压的作用,与R2将5 V直流电压分压为2.5 V电压输入运算正向输入端。Cf与Rf分别为反馈电容与反馈电阻,两者在电荷放大电路和跨阻放大电路中分别起到了不同的作用。

图2 电路结构

运算放大器的选型对电路以及CMUT换能器的信号检测至关重要,考虑到CMUT换能器本身的宽频带性能,以及为了减小微弱信号中噪声对电路的影响,须选用高增益带宽积、低输入偏置电流以及低失调电压的运算放大器。因此,本文选用LTC6268—10运算放大芯片。

2.1 电荷放大电路设计

针对CMUT换能器产生的电荷信号,设计一种电荷放大电路,其原理是把输入的电荷信号直接积分到电路中的积分电容,从而放大器的输出,便为电荷量总和的输出。在电荷转换完成的同时,输入端的电荷将会被耗尽[11]。

电荷放大电路采用电容负反馈结构,CMUT换能器在声—电检测过程中产生电荷信号Q,经过反馈电容Cf将电荷信号转换为电压信号,考虑到传输线电缆电容与电路的输入电容等对电路结构的微小影响可忽略不计,电路输出电压与输入电荷关系为

Vo≈-Q/Cf

(4)

实际电路中,反馈电容两端并联的反馈电阻作用是给反馈电容放电,维持电路直流和低频的稳定性,防止电路饱和,其大小为MΩ甚至TΩ级别。由式(4)可知,通过改变反馈电容的取值可以满足信号放大的要求。电荷放大电路的反馈环路呈现一定的高通特性,传感器输出信号频率需要大于低频截止频率fL,低频截止频率fL为

fL=1/2πRfCf

(5)

为了验证电荷放大电路设计的可行性,利用LTSPICE软件对其进行瞬态及交流特性分析。电路输入幅值10 pC电荷信号,反馈电容值设置为5～30 pF,反馈电阻值设为1 MΩ,分析其输出电压Vo,表1列出了电荷放大电路的反馈电容参数及输出电压峰峰值之间的关系。

表1 电荷放大电路输出电压峰峰值与反馈电容关系表

根据CMUT换能器的工作频带,结合表1中反馈电容参数的动态特性,为使电路在检测CMUT换能器信号时输出合适的电压值,确定电荷放大电路中各元器件参数：R1=R2=50 kΩ,R3=100 Ω,C1=100 nF,C2=10 μF,Rf=1 MΩ,Cf=10 pF,Rl=1 kΩ。将参数代入式(5)可得电荷放大电路的低频截止频率为15.9 kHz,这与图3(a)中的点和放大电路的频率响应结果相同。

2.2 跨阻放大电路设计

针对CMUT换能器产生的电流信号,设计一种跨阻放大电路,其原理是把电流信号直接经过反馈电阻转换并放大为电压信号[12]。跨阻放大电路输出电压与输入电流之间的关系为

Vo=-Rfi(t)

(6)

式中Rf为反馈电阻,i(t)为电路输入电流,即CMUT换能器输出电流。由式(6)看出,反馈电阻即为跨阻放大电路的放大倍数。在实际跨阻放大电路中,反馈电阻两端并联的反馈电容的作用为相位补偿,防止电路发生自激,同时还可以通过引入极点的方式抑制高频噪声。

为了验证跨阻电路设计的可行性,利用LTSPICE软件对其进行瞬态和交流特性分析。电路输入幅值为500 μA电流信号,反馈电阻值设置为100 Ω至1 kΩ,反馈电容值设为2.2 pF,分析其输出电压Vo,表2列出了跨阻放大电路的反馈电阻参数及输出电压峰峰值之间的关系。

表2 跨阻放大电路输出电压峰峰值与反馈电阻关系

根据CMUT换能器的工作频带,结合表2中反馈电阻参数的动态特性,为使电路在检测CMUT换能器信号时输出合适的电压值,确定跨阻放大电路中各元器件参数：R1=R2=50 kΩ,R3=100 Ω,C1=100 nF,C2=10 μF,Rf=560 Ω,Cf=2.2 pF,Rl=1 kΩ。。图3(b)为跨阻放大电路的频率响应曲线。

图3 两种放大电路频率响应曲线

3 测试结果与分析

3.1 电路性能测试

电荷放大与跨阻放大电路的实物图如图4(a)所示。对两种CMUT换能器微弱电信号检测电路进行频率响应及线性度测试并分析对比。利用信号发生器产生幅值为500 mV的交流电压信号,分别经20 pF电容和1 kΩ电阻转化为幅值为10 pC电荷信号与500 μA电流信号,改变电路输入频率,使频率变化范围为10 kHz至30 MHz,记录其输出电压信号。图4(b)为两种检测电路频率响应图。

图4 电荷、跨阻放大电路频率响应实测

由图4(b)可看出,输入频率为10～100 kHz时,电荷放大电路的输出电压幅值会随频率而增大,跨阻放大电路频率则稳定保持不变。输入频率为100～10 MHz时,此频段包括了本实验室设计的CMUT换能器工作频段,电荷放大电路输出电压幅值会起伏波动,跨阻放大电路输出电压幅值较为稳定。输入频率为10～30 MHz时,两种检测电路输出电压均产生激增现象。

利用信号发生器产生幅值为线性变化的交流电压信号,分别经20 pF电容和1 kΩ电阻转化为线性变化的电荷信号与电流信号,电路输入频率固定为100 kHz,1 MHz,5 MHz,10 MHz,记录两者电路输出电压信号。图5为不同频率下电荷放大电路与跨阻放大电路输出电压信号与输入信号变化曲线图。

图5 两种电路不同频率下输出电压与输入信号关系

根据图5中的数据,利用统计学中线性拟合的方式对其进行分析,输入频率100 kHz,1,5,10 MHz下电荷、跨阻放大电路的残差平方和与相关系数如表3所示。

表3 电荷、跨阻放大电路残差平方和与相关系数表

由表3可知,两种检测电路均在频率为1 MHz与5 MHz时线性拟合度较好,在100 kHz与10 MHz时线性拟合度较差。对比两电路的残差平方和与相关系数,跨阻放大电路的性能显然更加优越。

3.2 实验结果

本实验利用两个中心频率为2.34 MHz的CMUT换能器(见图6(a))在硅油中进行测试,利用一个CMUT换能器进行发射超声波信号,另一个CMUT换能器在距离发射端20 cm处接收超声波信号,整体测试系统如图6(b)所示。

图6 CMUT换能器与信号测试系统

信号发生器产生5个幅值为4V的正弦脉冲交流信号,将其施加在发射端CMUT换能器的上电极。将15 V直流电压分别施加在发射端和接收端CMUT换能器的下电极,为两者提供直流偏置。设置输入频率为500 kHz至6 MHz,将电荷放大电路与跨阻放大电路分别接至接收端CMUT换能器进行信号的检测与放大。

图7为两种检测电路对CMUT换能器进行扫频测试的结果图,从图中可以看出,基于电荷放大电路测得的扫频结果有两个谐振峰,其中第二个峰值所对应的频率为1.9 MHz,更接近于CMUT换能器的中心频率,而第一个峰值的产生以及第二个峰值所对应的频率与CMUT换能器中心频率存在的误差,是由电荷放大器自身在该频段增益不稳定所导致的,这也与图4中电荷放大电路的频率响应曲线所对应。基于跨阻放大电路测得的谐振峰所对应的频率为2.3 MHz,与CMUT换能器的中心频率基本一致。

图7 CMUT换能器扫频测试结果

图8为电荷放大电路与跨阻放大电路的输出信号曲线,电荷放大电路检测到信号为2.2 V,噪声为437.2 mV,跨阻放大电路检测到信号为2.204 V,噪声为58.5 mV。根据信噪比计算公式可得,电荷放大电路的信噪比为20.57 dB,跨阻放大电路的信噪比为38.05 dB。通过这两种电路的输出电压可知CMUT换能器产生的电荷变化量为22 pC,电流变化量为3.9 mA,由于接收端CMUT换能器接15 V直流偏置电压,通过计算可得电容变化量为1.47 pF。因此,电荷放大电路的接收灵敏度为1.50 V/pF,跨阻放大电路的接收灵敏度为0.56 V/mA。

图8 两种放大电路输出信号

4 结束语

本文对电荷、跨阻两种放大电路的理论、仿真分析及电路性能进行了测试,结合CMUT换能器进行了超声波检测试验。实验结果表明:电荷放大电路与跨阻放大电路均可以达到对CMUT换能器微弱信号检测与放大的目的,电荷放大电路具有较高的增益,但跨阻放大电路在频谱响应特性、线性度以及电路信噪比方面比电荷放大电路更为优越,因此,跨阻放大电路更加适合用于高频CMUT换能器的微弱信号检测。这一结论对CMUT换能器超声成像前端硬件电路的制作具有良好的推动意义。