聚偏氟乙烯壓電薄膜換能器前置放大模塊設計

管　玲，　王　旭

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075）

聚偏氟乙烯壓電薄膜換能器前置放大模塊設計

管玲，王旭

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075）

基于前置放大模塊的噪聲特性直接影響聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜換能器的接收性能， 根據PVDF壓電薄膜換能器的特點， 采用模擬信號處理中抑制噪聲的關鍵技術， 實現與之配套的前置放大模塊的設計， 總結了前置放大模塊的設計要素， 利用Multisim 12對設計電路進行仿真， 并對該模塊進行了實驗室測試。試驗結果表明，該模塊輸入噪聲不大于-130 dBHz， 可滿足水聲信號處理設備的使用需求。

聚偏氟乙烯壓電薄膜； 換能器； 前置放大模塊； 水聲信號處理

0　引言

水聲換能器是水聲信號處理設備的核心部件，目前常用的水聲換能器為壓電陶瓷換能器。聚偏氟乙烯（polyvinylidence fluoride， PVDF）壓電薄膜是一種新型的高分子物性型傳感材料［1］， 與壓電陶瓷相比， PVDF 具有優良的柔軟性、壓電效應和熱釋電性， 還具有輕薄、高韌度、靈敏度高、聲學阻抗低、容易固定在復雜的表面、價格便宜及頻帶寬等特點， 有很好的時間和溫度穩定性［2］，所以， 它很適合作為水聲換能器的材料。與常用的壓電陶瓷接收換能器相比， PVDF壓電薄膜換能器是一低容性器件， 阻抗極高（106?）。其前置放大電路通常為電荷放大電路， 可將PVDF壓電薄膜換能器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出， 同時也可放大水聲換能器所輸出的微弱信號［2］。

由電荷放大器構成的前置放大電路通常采用高輸入阻抗、低噪聲、低偏移寬帶精密運算放大器， 故其輸入噪聲特性與所用運算放大器的輸入噪聲特性有密切關系。ADI公司生產的AD8601具有低偏置電流、低偏置電壓、8 MHz的帶寬以及高增益特性， 符合設計所需參數要求［3］。采用AD公司生產的放大器AD8601構成的前置放大模塊， 折合輸入噪聲不大于-130 dB/Hz， 可以滿足水聲信號處理設備的使用需求。

1　電路基本結構

在水聲信號處理設備中， PVDF壓電薄膜換能器的應用主要是接收水聲場微弱信號。前置放大模塊將PVDF壓電薄膜換能器輸出的微弱信號放大成幅度較大的信號， 其放大倍數的確定以水聲信號處理設備所接收的最大信號不被限幅為限。前級放大后的信號通過簡單的濾波處理， 送入后級電路進行進一步的放大、動態壓縮、濾波等處理， 以便滿足A/D轉換電路進行模數轉換的需求。

單個前置放大模塊的電路基本組成如圖1所示。

圖1　前置放大模塊組成框圖Fig. 1　Block diagram of preamplifier module

2　設計要素

2.1前級放大

前級放大位于前置放大模塊的最前級， 設計時需要考慮： 1） 將換能器所接收的微弱信號無失真放大； 2） 輸入阻抗； 3） 輸入噪聲。

這里， 輸入阻抗和輸入噪聲十分重要， 其決定了前級放大是否會降低PVDF壓電薄膜換能器輸出信號的信噪比， 直接影響水聲信號處理設備的信號檢測能力。

2.1.1輸入阻抗

輸入阻抗主要考慮以下2個問題。

1） 阻抗匹配。要能夠無損失地獲取換能器的輸出信號， 并且盡量減少前置放大模塊內部發生的噪聲， 提高該信號與前置放大模塊產生的噪聲比值， 需要提高前級放大的輸入阻抗， 使它比換能器阻抗高很多。

2） 熱噪聲。電阻產生的熱噪聲由電阻內的電子熱擾亂（布朗運動）引起， 電阻值越大， 熱噪聲也就越大。

2.1.2輸入噪聲

要想控制輸入噪聲就需要知道輸入噪聲的來源， 前級放大電路的噪聲來源主要基于以下5個因素： 1） 換能器內阻產生的熱噪聲； 2） 決定增益的合成電阻值產生的熱噪聲； 3） 運算放大器內部產生的噪聲即等效輸入噪聲電壓； 4） 運算放大器輸入端的噪聲電流流過信號源電阻形成的噪聲； 5）運算放大器輸入端的噪聲電流流過決定增益的電阻形成的噪聲。

換能器內阻產生的熱噪聲由所使用的水聲換能器決定， 這種噪聲無法左右， 暫不考慮。

決定增益的合成電阻包括運算放大器輸入端電阻和反饋電阻， 為了保證一定的放大倍數， 運算放大器輸入端電阻遠小于反饋電阻， 兩者為并聯關系， 故這一部分噪聲主要由運算放大器輸入電阻決定。運算放大器輸入電阻越小， 噪聲越低。但不能太小， 其下限必須遠大于印制電路板銅箔的電阻值， 保證印制電路板銅箔的電阻值忽略不計。

上述5個因素中的3）～5）均由所選擇的運算放大器的輸入噪聲電壓和輸入噪聲電流特性決定。

2.2濾波

前置放大模塊力求低噪聲的同時希望電路盡可能地簡潔。水聲信號處理設備中常存在低頻噪聲干擾， 為了濾除這一部分干擾， 前置放大模塊常采用低階高通濾波器。

低階高通濾波器設計時， 除了需要考慮濾波器本身的濾波特性外， 還需要綜合考慮濾波器前端前級放大的驅動能力。其關鍵參數有： 1） 折合到輸入端噪聲； 2） 截止頻率； 3） 阻帶衰減量； 4）過渡段衰減量； 5） 不同頻率信號通過濾波器造成的相位差。

目前， 濾波器的實現有2種方式： 一用運放、電阻和電容搭建； 二選用集成的芯片。雖然第1種方式受分離元件的精度和環境溫度影響， 濾波精度很難提高， 但電路參數可以根據濾波器的指標自由設計； 第2種方式由于集成度的增加， 電路的可靠性和精度也得到了提高， 但濾波器的指標如折合到輸入端噪聲則會受到現有芯片技術水平的限制。

2.3二次電源

為了達到前置放大模塊的各項指標， 對供電電源的處理原則如下： 1） 穩定提供運算放大器所需最小限度的電源電壓； 2） 電源噪聲大小直接影響放大電路的輸出噪聲； 3） 輸入、輸出動態范圍決定工作時電源電壓最小值。

3　電路設計

3.1薄膜特性分析

PVDF 壓電薄膜上下表面均鍍有電極， 電極上下表面可聚集不同極性的正、負電荷， 可用電容器模型來等效。所以， PVDF薄膜換能器的等效電路模型是一個和容性阻抗并聯的電荷源等效電路（見圖2）［4］， 或者是一個和容性串聯的電壓等效電路（見圖3）。

圖2　電荷源等效電路示意圖Fig. 2　Schematic of equivalent circuit of charge source

圖3　電壓源等效電路示意圖Fig. 3　Schematic of equivalent circuit of voltage source

由圖2、圖3可以看出， 這樣的等效電路阻抗非常高， 且呈容性， 輸出電壓很微弱。

3.2前級放大設計

電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷量呈正比， 具有反饋電容的高增益放大電路。如圖4所示。

圖4　前級放大電路Fig. 4　Front-stage amplifying circuit

為了與上述PVDF壓電薄膜換能器帶來的特性進行阻抗匹配， 要求前級放大電路輸入阻抗也要很高。電路中， R2決定了放大電路的輸入阻抗，為了保證換能器接收的信號能量無任何損失， 與約20 pF的低容性PVDF換能器匹配時， R2的取值應為5～10 M?。

電路采用的電容反饋， 會導致零點漂移較大，為了使電荷放大器穩定工作， 在反饋電容C3上并聯了一個反饋電阻R4。該電路中， R3， R4， C3值的大小和精度決定了電路的增益及相位特性。

3.3濾波設計

眾所周知， 濾波器的幅頻特性與階數有關，階數越高特性越好， 但電路就越復雜。受前置放大模塊體積和噪聲特性限制， 本設計采用AD8599公司生產的雙運算放大器AD8599構建4階高通濾波器， 濾波頻率約10 kHz， 如圖5所示。

3.4二次電源設計

在實際電路運用中， 通常使用DC-DC轉換器來給運算放大器提供所需電源， 故消除DC-DC轉換器的噪聲十分重要， 首先要選擇低噪聲型的DC-DC轉換器， 其次使用LC 濾波電路來消除噪聲。常用電路如圖6所示。

圖5　4階高通濾波電路Fig. 5　Circuit of fourth-order high-pass filter

圖6　DC-DC部分電源電路Fig. 6　Circuit of DC-DC power

這部分電路常布置于安裝前置放大模塊主板上， 且多模塊共用。前置放大模塊內部為了防止存在于電源線中的交流干擾， 每塊運算放大器IC片子的電源管腳都必須利用低感抗的電容器（比如0.1 μF的陶瓷電容器）對地旁路。這些解耦電容器有助于中和來自電源線和地線的非零電抗所形成的虛假反饋環路， 增加電路的穩定性。

另外， 電源線的分布電感大約以1 nH/mm速度增加， 為使分布電感最小， 措施更為有效， 接線頭一定要短， 即電容器應裝在靠近運算放大器的管腳。整塊電路板在電源電壓的入口點還應利用10 μF的極化電容器提供對電路板的旁路， 利用寬的地線， 使得整個電路板盡量保持一個電的純凈地的參考。整個電路板的供電旁路電容處理如圖7所示。

4　仿真與計算

圖7　運算放大器電源電路Fig. 7　Circuit of power for operational amplifier

Multisim是一種功能比較強大的電子電路仿真軟件， 利用Multisim可以使設計與仿真同步［5］。采用Multisim 12 電子電路仿真軟件對前置放大模塊中的前級放大和濾波設計電路進行了仿真，并對設計電路的噪聲進行了計算。

4.1前級放大電路仿真

前級放大仿真電路圖見圖 4， 采用Multisim 12自帶的示波器測量前置放大電路的輸入輸出波形， 如圖8所示。由圖中可以看出， 該電路參數下相位特性和幅度特性接近理想狀態。

4.2濾波電路仿真

濾波仿真電路圖如圖5所示， 采用Multisim 12自帶的波特圖示儀測量和顯示該4階高通濾波電路的幅頻特性與相頻特性， 參見圖 9。由圖中可以看出， 濾波頻率為9.7 kHz（-3 dB點）， 帶內平坦度0.5 dB。

圖8　前級放大輸入輸出波形Fig. 8　Input and output waveforms of front-stage am plifying circuit

圖9　濾波電路幅頻特性與相頻特性Fig. 9　Amplitude-frequency and phase-frequency char acteristics of filtering circuit

4.3噪聲計算

前置放大模塊的噪聲起決定作用的是前級放大， 故對前級放大進行噪聲計算。

根據奈奎斯特理論， 電阻產生的熱噪聲［6］

式中： VT是噪聲密度， Vrms； k為玻爾茲曼常數（1.38*10-23J/K）； T是絕對溫度， K； R表示電阻，?； B為帶寬， Hz。

假設T＝300 K（27℃）， B＝10 kHz， 根據式（1）按照2.1.2節計算前級放大輸入噪聲， 得：

4） 噪聲電流流過決定增益的電阻形成的噪聲可忽略不計。

5　實驗室測試

針對上述設計電路制成印制板， 調試合格之后用金屬外殼封裝。用頻譜分析儀agilent 35670對該模塊進行測試， 其濾波特性測試結果如圖10所示。

圖10　濾波特性曲線示意Fig. 10　Curve of filtering characteristic

將輸入端短路， 測試該模塊的噪聲特性， 如圖11所示。

圖11　噪聲特性曲線示意Fig. 11　Curve of noise characteristic

由圖10和圖11可以看出， 該電路的濾波特性實測結果與仿真結果基本相同。噪聲特性實測結果與理論計算基本相符。

將PVDF壓電薄膜換能器與前置放大模塊輸入端相連， 輸入端雙絞并盡量減短輸入端引線長度。在水池環境下對其接收性能進行測試， 根據測試結果和PVDF壓電薄膜換能器的接收靈敏度推算前置放大模塊的折合輸入端噪聲， 結果不大6結束語

于–130 dB/Hz, 滿足水聲處理設備的使用需求。

文章根據PVDF壓電薄膜換能器的特性, 設計了適應微弱電流的信號前置放大模塊, 給出了前級放大、濾波以及電源處理的設計要素、具體設計電路, 以及電路噪聲特性的詳細計算, 通過電路的仿真與測試, 結果達到設計目標, 滿足水聲測試設備的應用需求。

[1] 孔明, 周洋, 程琦, 等. 基于PVDF傳感器的高速圓度測量系統[J]. 儀表技術與傳感器, 2011(5): 76-78.

Kong Ming, Zhou Yang, Cheng Qi, et al. High-speed Roundness Measurement System Based on PVDF Film Transducer[J]. Instrument Technique and Sensor, 2011(5): 76-78.

[2] 陳浩, 陳菊秋, 胡俊波. PVDF材料制作水壓接收器研究[J].海軍工程大學學報, 2009, 21(4): 107-112.

Chen Hao, Chen Ju-qiu, Hu Qiu-bo. Research of Underwater Pressure Receiver Design by PVDF Material[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2009, 21(4): 107-112.

[3] 朱新祥, 陳江偉, 紀曉輪, 等. 基于AD8601的電荷放大器的設計[J]. 微型機與應用, 2013, 32(3): 88-89.

Zhu Xin-xiang, Chen Jiang-wei, Ji Xiao-lun, et al. Design of Charge Amplifier Based on AD8601[J]. Example of Application, 2013, 32(3): 88-89.

[4] 仵征, 郝屏. 基于壓電傳感器的電荷放大測量電路的優化方案[J]. 河南科學, 2012 , 30(12): 1734-1737.

Wu Zheng, Hao Ping. The Optimization of the Charge Amplifier Circuit for Measuring of the Piezoelectric Sensor[J]. Henan Science, 2012, 30(12): 1734-1737.

[5] 白玉成. 基于MULTISM仿真的電路的設計與分析[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2010.

[6] 遠坂俊昭[日]. 測量電子電路設計——模擬篇從OP放大器實踐電路到微弱信號的處理[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

(責任編輯: 楊力軍)

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， 高級工程師， 主要研究方向為應用電子技術.