电磁超声换能器的前置放大电路设计

摘要：针对电磁超声换能器接收线圈接收到的信号通常十分微弱的特点，设计了分别应用NJM4580和AD620的微小信号放大电路，并通过关国国家仪器公司的Multisim 10软件中波特图仪和示波器对两前置放大电路进行虚拟仿真，并对仿真结果进行比较，验证了应用AD620的放大电路在微小信号放大上不仅电路构成简单，而且在放大性能上更加优于应用NJM4580运算放大器构成的差分级联放大电路。
关键词：前置放大器；NJM4580；AD620；Multisim 10

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)：
   
    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。

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。

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。
2．2 仿真比较
    (1)函数信号发生器的设置。在软件中打开信号发生器，因本文使用的信号频率范围一般为25 kHz～1 MHz，为了模拟传感器接收到的信号，在此范围中，选取输入信号频率为100 kHz，幅度为100μF的正弦波信号来做分析比较，函数发生器设置如图3所示。

    (2)电路的幅频特性仿真与比较。应用此软件中的波特图仪(Bode Plotter)对两电路的幅频特性进行仿真比较，设置的观察频率范围是25 kHz～1 MHz，结果如图4所示。

    通过波特图可以直接观察出当输入信号频率为25 kHz时，两电路的增益分别为85 dB和98 dB。比较可以得出，应用AD620改进电路的放大效果较好。通过移动波特图仪的光标柱可以观察2个电路在其他频率时的放大增益。将光标注移动到100kHz，可以直接观察到此频率下两电路的增益分别为60dB和72dB。
    以此类推，通过移动光标柱可以获得输入信号为其他频率时的两电路增益，不同输入信号频率下的增益如表1所示。通过比较可知，应用AD620电路的增益高于应用NJM4580电路的增益。

    (3)输出信号波形的比较。在软件打开示波器，在示波器中进行设置，红色表示输入信号，绿色表示放大后的输出信号。选取频率100 kHz，幅度100μV的信号，经电路放大，分别得出输出波形如图6所示。通过Multisim 10仿真可以很清晰地看出两电路的输出波形。为了便于对波形进行观察，将Channel A(输入信号通道)设置为100μV／Div，图6(a)的Channel B(输出信号通道)设置为100 mV／Div，图6(b)的Chann el B(输出信号通道)设置为500 mV。从波形图可以看出，当输入信号均为100μF时，两电路输出的信号大小分别为100 mV和380 mV，很显然，应用AD620的改进电路二，放大倍数更大。通过此方法，可以对输入信号为其他频率时的输出波形进行比较。

3 结语
    本文针对输入信号为微幅级的信号，用NJM4580运算放大器设计了与741共同构成的级联放大电路，并在此基础上应用AD620对电路进行改进以达到更加优良的性能；利用Multisim 10对设计的2个放大电路进行仿真、比较，从而验证了应用AD620的放大电路不仅电路构成简单，而且在放大性能上更加优于应用NJM4580运算放大器构成的差分级联放大电路。