带前放压电水听器噪声建模及低噪声设计方法

2023-05-31肖屹立郭世旭

压电与声光 2023年2期

肖屹立,郭世旭

(中国计量大学计量测试工程学院,浙江杭州 310018)

0 引言

水听器是一种用于接收水下声波的换能器,能获取声场信息,广泛应用于水下通信、海洋环境监测和海洋资源开发等领域。目前,压电水听器的材料主要是压电陶瓷及聚偏二氟乙烯(PDVF)等。压电陶瓷具有高硬度和高灵敏度,适合测量高强度声场。由于压电水听器输出阻抗大,输出信号微弱,需搭配前置放大器使用。水听器最小可测声信号与放大器输出端的电噪声有关[1],作为水声系统的前端,其自噪声水平直接影响水声信号的信噪比,水下应用时,一般要求水听器自噪声谱级低于0级海况海洋环境噪声谱[2]。

本文针对带前置放大器的水听器自噪声建模问题,对结型场效应管及集成运放放大器建立了水听器与其结合的等效电路噪声模型。在此基础上分别基于低噪声集成运放和结型场效应管设计制作前置放大电路,对其等效输入噪声进行了仿真和实测。测试带低噪声结型场效应管放大器水听器的自噪声,并与零级海况噪声谱及低噪声水听器TC4032的噪声谱进行了对比。

1 水听器等效模型

(1)

式中:K为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;Δf为带宽。

图1为水听器电输入阻抗的等效电路。水听器电输入阻抗Zh由短路机械阻抗、辐射阻抗和钳位导纳表示为

图1 水听器电输入阻抗的简化等效电路

Zh=1/Yh=1/[G0+jωC0+

(2)

(3)

式中:Rm为机械电阻;Rr为辐射电阻。

进一步将式(3)转化为

(4)

式中:ωr为共振频率;ωa为反共振频率;Qm为机械共振时质量品质因数;Qa为反机械共振时质量品质因数;tanδ为压电材料介电损耗因子。

综上所述,式(4)中机械损耗、辐射损耗及电损耗3种损耗形式复杂耦合,则Rh等效表示为

(5)

电耗散遵循机械电抗的频率依赖性,通常是低频时的主要损耗机制,因此也是主要的内部噪声机制。在共振频率下产生的热噪声由机械损耗引起,而在非共振频率下水听器产生的热噪声主要由介电损耗引起[14]。此时,等效电阻由电耗散部分单独引起,即在远低于共振频率状态下,水听器等效电阻Rh可由其电耗散部分表示:

Rh=Re{1/[jωCf(1-jtanδ)]}=

(6)

2 水听器及放大器联合噪声模型

前置放大器是水听器输出开路电压的第一级电路,它将水听器的输出电压信号放大,并实现阻抗变换。根据弗里斯公式[15]可知,第一级放大电路即前置放大电路具有高增益和低噪声,能有效地提高测量系统的性能。

针对高阻压电型水听器,前置放大器主要选择高阻抗型的放大器作为主放大器芯片,包括JFET结型场效应管、JFET输入型的集成运算放大器及仪表放大器等,此类芯片的输入阻抗在吉欧级以上。

为了满足带前置放大器水听器的低噪声设计需求,将水听器与前置放大器视为组合系统,根据前置放大器设计和所选电气元件的函数、传感器材料及传感器设计的函数,分别建立水听器与结型效应管及集成运放放大器的噪声分析模型。

2.1 水听器与集成运算放大器噪声分析模型

根据组成阻抗类比,采用双端口系统来描述水听器与放大器的等效电路,得到的噪声模型如图2所示。图中,CH为水听器等效电容,RH为水听器等效电阻,Ri为输入阻抗,es为电压输入信号,eH为水听器热噪声,eRi为输入电子热噪声,eA为前置放大器电压噪声,eiA为前置放大器电流噪声,A为前置放大器增益,VO为水听器输出端的电压噪声谱密度。前置放大器可用1个理想的无噪声前置放大器和2个噪声源表示,即等效输入电压噪声和等效输入电流噪声[16]。

图2 水听器与集成运算放大器的噪声模型

输出端的电压噪声贡献主要来自水听器热噪声、偏置电阻热噪声、前放电压噪声及电流噪声。

(7)

(8)

前放电压噪声谱密度表示为AeA。

(9)

水听器输出端的电压噪声谱密度VO可表示为

(10)

2.2 水听器与结型场效应管的噪声分析模型

结型场效应管自噪声主要由沟道热噪声、栅极散粒噪声、1/f噪声和感应栅噪声组成,如图3所示。图中,eI为栅极及漏极电流噪声,Cgs为感应栅电容,Cgd为漏栅电容,gm为跨导,Cd为漏电容,Vgs为感应栅电压。

图3 场效应管噪声模型

(11)

式中:B为等效带宽;sig1为结型场效应管栅极散粒噪声;sig2为结型场效应管感应栅噪声;Rg为结型场效应管输入电阻;ZR为输入阻抗实部。

结型场效应管电流噪声vi可表示为

(12)

式中:sif为结型场效应管1/f噪声;sid为结型场效应管沟道热噪声;Cgd为栅漏电容;Cgs为感应栅电容;gm为结型场效应管跨导;Cs为信号源等效电容。

结型场效应管等效输入电压噪声表示为

(13)

引入水听器噪声模型,建立水听器与结型场效应管的联合噪声模型如图4所示。

图4 水听器与场效应管噪声模型

结型场效应管电压噪声谱密度为Avins。

(14)

水听器输出端的电压噪声谱密度VO为

(15)

3 噪声仿真及测试

3.1 放大器自噪声仿真及测试

与集成运放相比,结型场效应管具有更低的1/f噪声[17]。为了在第一级获得非常低的等效输入噪声,典型的低噪声结型场效应管及集成运放的噪声性能对比如图5所示。

图5 关键器件电压噪声

选取LSK170和OPA827两种低噪声元件设计前置放大器。结型场效应管前置放大器原理图如图6(a)所示。电压信号Vin交流耦合后,从结型场效应管的栅极输入,经漏极输出到运放,运放输出信号经过负反馈改变结型场效应管的源极电压值,构成电压串联负反馈网络,提高了输入结型场效应管对管的输出稳定性,并减小非线性失真。图6(b)为经典集成运放放大器构成压电水听器电压放大器的原理图。

图6 原理图

根据式(10)、(17)分别对基于两款不同结型场效应管对管的低噪声放大电路、低噪声集成运放放大电路进行噪声仿真,放大电路的等效输入噪声仿真结果如图7所示。由图可看出,基于结型场效应管的前置放大器噪声性能更优,且具有较低的1/f噪声转折频率。

选取噪声性能较好的集成运放ADA4625、OPA827及结型场效应管LSK170、LSK389作为放大器主芯片,制作4款前置放大器,如图8所示。

图8 4款前置放大器实物图

测试时采用Agilent35670A动态信号分析仪测量前置放大器输出噪声功率谱级[18]。

1 kHz频率下,4款放大电路的等效输入自噪声仿真值及实测值如表1所示。由表1所示测试结果可得,在测试频带内,基于结型场效应管对管LSK170的放大器具有较好的噪声性能。

表1 4款前放等效输入噪声谱密度

3.2 球形压电水听器

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶材料,具有较强的压电性能和较高的机电耦合系数,与大多数的磁致伸缩材料相比,压电陶瓷具有更小的介电损耗因子,且其形状易定制[19]。

本文所用水听器为球形压电水听器,如图9所示。球形压电水听器具有中心对称结构,无水平指向性,垂直探测范围大,工作频带内灵敏度起伏小等特点,常用作接收水听器或标准水听器,广泛应用于探测、通讯、计量和校准领域。

图9 球形水听器

压电水听器的球形敏感元件由2块径向极化空气背衬PZT-5H压电陶瓷半球拼接而成,其介电损耗为1%,静态等效电容为5.6 nF。敏感元件与支撑结构通过去耦橡胶实现柔性连接,采用硫化透声橡胶覆盖工艺对敏感元件腔体做防水处理,并提高水听器耐压能力。压电陶瓷球壳在声压作用下产生形变,从而产生电信号,电信号经内置前置放大器调制放大后由电缆输出,提高信号抗干扰能力。

3.3 带前放水听器自噪声测试

选择基于结型场效应管对管LSK170的放大器作为水听器前放,建立水听器与放大器的SPICE模型如图10所示。

图10 SPICE仿真模型

为了测量水听器的自噪声,首先需将水听器从环境中分离出来,即消除环境噪声,参考国标GB/T4128-1995,本次测试在全消声室中进行,全消声室的截止频率为40 Hz,本底噪声为-1 dB,借助其电磁屏蔽,振动隔绝等优势,降低环境噪声对测试结果的影响。测试时,将水听器用软性结构吊放于全消声室环境中,由动态信号分析仪通过电缆接收在测试环境中工作的水听器信号。并用现有低噪声水听器(RESON-TC4032)比较测试结果。

如图11所示,在全消声室中搭建水听器与前置放大器的自噪声测试系统,测试系统主要由待测内置前放水听器、丹麦低噪声水听器(RESON-TC4032)、吊置物架及Agilent35670A动态信号分析仪组成。