一种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究

　　对于由电池供电的水下声学设备,要求电路功耗小,满足设备长时间工作需要,所以必须对接收机电路进行低功耗设计。远距离声源发射的水声信号到达接收设备时已十分微弱,其在水声换能器产生的电压信号通常只有十几微伏,往往淹没在背景噪声之中,因此必须对十几千赫的水声信号进行宽带滤波和无失真放大,而采用宽带型运算放大器容易带来功耗较高的问题。以往设计有源带通滤波电路时常把运放假设为理想运放而不考虑实际运放高频相应下的低通特性[1];或者把运放的有限增益-带宽积作为限制通频带宽的不利因素,极少利用实际运放的低通特性。本文设计一种应用于定位声纳接收机的低功耗滤波放大电路,采用四级低功耗运放和R、C高通网络相级联。用四级运算放大器代替传统的R、C低通网络,起到带通滤波和高增益放大的双重作用。由于滤波电路的性能对分离元的误差相当灵敏,所以这种设计还有一个明显好处,它可以避免过多R、C分离元件引入电路造成滤波性能下降。为验证系统的稳定性,通过线性系统中的稳定性判定方法证明系统是稳定的。该放大电路由前置放大级和限幅滤波放大电路组成,能够完成对微弱水声信号的宽带滤波、无失真高增益放大和对海洋背景噪声的归一化处理。

　　1 低功耗放大电路优化设计

　　设信号为正弦波,频率12.5 kHz,峰值电压15LV,要求放大到+5 V,并且能够对海洋背景噪声进行归一化(关于海洋背景噪声的详细论述请参考文献[2-3]),要求放大器静态电流不大于1.5 mA。

　　1.1 前置放大

　　前置电路主要功能是对换能器输出电压进行初级放大,隔离信号源与后级放大电路之间的耦合作用。由于换能器输出微弱的电压信号现,因此前置放大电路必须具有低功耗、低噪声、高内阻和高抗干扰能力。该设计采用结型场效应管共源单调谐放大器作为前置放大级(如图1)。选用3DJ9J结型场效应管,其跨导大于3 000L,栅源电容约为2.8 pF,饱和漏源电流约1 mA,具有良好的低功耗、低噪声和宽频带特性。LC调谐回路作放大器漏极负载,有利于增强放大电路的选频能力,减小电源输出电流,提高放大倍数。电路实验表明,前置放大器放大增益为35 dB,电路调谐于12.5 kHz,品质因数为4。对于最小幅值15LV的输入电压,至少可放大到0.6 mV。实验表明,该电路的调谐频率和品质因数与场效应管的等效参数有较大关系。在实际电路中需要调整外接的R、L、C元件的参数。负载电阻R2同时也是下级限幅放大器的输入电阻,若过高,在电路输入端容易引入噪声,使信号受到污染,所以应减小R2,即减小下级限幅放大器的输入电阻,这样在使本级选频特性不变的情况下,可较大地改善下一级限幅放大器的性能。