电磁超声换能器的前置放大电路设计

2015-07-31 11:16:54   来源:eefocus   

关键字: 放大电路  无损检测  运算放大器

0 引言

在无损检测中,EMAT因其独有的优点被广泛应用,但经EMAT接受线圈接受到的信号通常很微弱,信号幅值小,一般只有几十μV到几百μV,并且对周围环境噪声敏感度高,接收信号常被淹没在噪声中,辐射模式较宽,能量不集中。为了得到适合显示观察的水平,需要对信号进行放大和滤波处理,以减少噪声和干扰。为了避免EMAT的接收系统放大倍数过大引起信号失真和自激的现象,通常采用多级放大。主要包括前置放大器、滤波器、主放大器,以及用于在数字设备中的A/D转换电路等。为了得到更好的结果,前置放大器自然起着至关重要的作用。应用专业的EDA软件对其进行仿真分析,能够更迅速准确地分析电路性能,从而选出性能较好更适合需要的电路,本文设计了2种前置放大器,并且利用Multisim10仿真软件对这2种电路进行了仿真比较。

1 前置放大器

1.1 用NJM4580设计的放大器

在第一种电路设计中,选用NJM4580运算放大器,该放大器是日本新无线公司生产的双路运算放大器,具有无噪声、更高的增益带宽、高输入电流和低失真度,不仅适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器,还适用于手工测量工具等。

NJM4580的主要特点是:工作电压为±5~±18 V;低输入噪声电压为0.8μV;增益带宽为15 MHz;低失真为0.005%;转换速率为5V/μV;采用双极技术。应用NJM4580设计的放大器电路如图1所示。

本设计采用NJM4580,主要是在差分放大电路设计部分保持信号的带宽,使其不失真。采用3个运算放大器排成2级,由运放U1A,U2A按通向输入接法组成第1级差分放大电路,运放U3A组成第2级差分放大电路。在第1级电路中,信号源加到U1A的同相端,R6和R3,R4组成的反馈网络,引入了负反馈。

为了使电路对称,提高仪用放大器性能,选取的电阻应满足R3=R4关系,参数严格匹配,误差控制在很小范围内。经过计算,最终得到输出电压的关系如式(1):
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从式(2)中可直观看到,根据选取R5/R1和R3/R6电阻的比例关系,达到不同信号放大比例的要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计中最重要的环节之一。考虑到电路的稳定和安全,固定R1~R5,R7,R8的阻值,都选精确的10kΩ电阻,只将R6设置成可调,随着R6的减小,放大倍数越大,带宽越窄。所以设计时确定R6为2 kΩ。该放大电路是级联放大电路,为前级放大,而后级级联放大电路则由2个741级联构成,共同组成一个完整的信号接收端的前置放大电路。
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1.2 应用AD620设计的放大器

在进行微弱信号检测中,为了减少集成运算放大器对电路的干扰,应选择接近理想运算放大器的芯片。要求具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂,具有较大的共模抑制比和输入电阻。因此,在另一种电路设计中,应用AD620对第一种电路进行改进。AD620是AD公司生产的高精度单片仪表运放,它拥有差分式结构,对共模噪声有很强的抑制作用,同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗,非常适合对微弱信号的放大,而且AD620具有很好的直流和交流特性,更有低功耗、高输入阻抗、低输入失调电压、高共模抑制比等优点,其外部电路连接方便简单,只需要一个连接于1,8脚的外接电阻就可调节放大倍数。增益G=49.4 kΩ/RG+1。其中:RG为1和8脚连接的外电阻。AD620主要特点有以下几点:带宽800 MHz,输出功率24 mW;功率增益120 dB;工作电压±15 V;静态功耗0.48 mW;输入失调电压≤60μV;转换速率1.2 V/μs;最大工作电流1.3 mA;输入失调电压5μV;输入失调漂移最大为1μV/℃;共模抑制比93 dB。应用AD620设计的电路如图2所示。 
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2 采用Multisim 10软件仿真

2.1 软件介绍

Multisim 10是由美国国家仪器公司(National Instrument,NI公司)推出的,相对于Multisim 10的仿真软件,它具备更加形象直观人性化的特点,提供了16 000多个高品质的模拟、数字元器件;各种分析方法(直流扫描分析,参数扫描分析等);电压表、电流表和多台仪器(数字万用表、函数信号发生器等)。该软件大多数采用的是实际模型,保证了仿真和实验结果的真实性和实用性。应用Multisim 10可以进行模拟电路、数字电路、模数混合以及射频电路的仿真。其中,它的高频仿真和涉及环境是众多通用仿真电路软件中所不具备的。本文设计的是μV级的电压信号放大。采用了2种方案,通过Multisim 10的仿真来对这两种电路性能进行比较。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0731/article_12529.html
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