超宽频低噪声接收机设计

　　1 接收机主要性能要求

　　超宽频海底剖面仪工作频带为700Hz～30kHz，研制出低噪声的接收机是确保该课题成功的一个重要前提条件。在接收机的研制过程中，前置放大器的设计和各种器件的选型极为重要，早期前置放大器一般采用低噪声场效应管等分立元器件进行设计，设计周期长，调试工作量也比较大。随着集成电路的快速发展，用低噪声运放设计前置放大器的方法越来越普及，但一般大型声呐工作带宽一般在10kHZ以下。在本课题中，要求接收机工作在 30kHz以上，相关器件必须在宽带下满足各项总体下达的指标。接收机是超宽频海底剖面仪的前置预处理电路，主要完成对球型水听器阵列接收的水声信号进行放大、滤波、补偿放大、接收增益控制以及隔离，最后输给水下数字电路部分。接收机主要指标要求如下。

　　通道数：2路

　　供电方式：±12V

　　工作频带特性

　　(a)频带要求：700Hz～30kHz;

　　(b)带外衰减：350Hz 处衰减不小于12dB(主要是滤掉50Hz干扰);

　　(c)带内波纹：≤1dB。输入端特性

　　(a)前置放大器输入阻抗：≥20kΩ;

　　(b)输入动态范围：≥80dB;

　　(c)等效输入端噪声：≤3μV(r.m.s.)(无低通滤波器，在大于30kHz频带要求下)。接收增益控制：0~ 45dB范围内以3dB间隔步进分档，共16档。

　　2 技术设计

　　2.1 电路组成

　　整个接收电路包括低噪声前置放大器、预放电路、接收增益控制、高通滤波器、补偿放大以及隔离电路等几个部分，功能框图见图1。

　　2.2 技术设计

　　图1所示功能框图中缓冲放大器、补偿放大电路和隔离电路均采用一级或两极反相放大器电路级联而成，用运算放大器OP470中的一个或两个单运放分别完成，根据需要对放大量进行设定。OP470是一种低噪声运算放大器，该运算放大器增益带宽积为6MHz，可以满足接收系统超宽频的要求。这里着重介绍低噪声前放、接收增益控制和高通滤波器的技术设计和器件选型。

　　2.2.1 低噪声前放

　　低噪声前放电路采用低噪声运算放大器AD745设计，如图2所示。该运算放大器增益带宽积为20MHz，同时它的电压噪声和电流噪声也很小，采用同相放大器电路完全可以满足接收系统超宽频和低噪声的要求。该前放还使用低漏电流二极管完成具有输入电压嵌位的保护电路[2,3]。

　　具有输入电压嵌位的保护电路[2,3]。

　　2.2.2 接收增益控制

　　接收增益控制电路如图3所示，它对经过预放电路之后的信号进行增益控制，要求在0-45dB范围内以3dB增减，共16档，以便于整个系统根据不同实际情况选择合适的放大量，从而达到整个系统的最佳性能。选用四通道电压控制放大器SSM2164和运算放大器OP470中的两个单运放完成。为了设计的最大灵活性，SSM2164每个通道提供电流输入和电流输出，通过添加一些合适的外围电路,能完成增益控制的功能。SSM2164具有如下特性：动态范围，100dB;总谐波失真，0.02%;增益范围，120dB;调节误差，0.07dB;无需外部微调。从以上指标我们可以看出该器件具有优良的特性，在这里使用完全可以满足 16档控制，3dB增减的功能，甚至要求更宽的增益控制范围以及更小的调整步距，只要提供合适的控制电压，都可以完成。在实际电路中，通过测试得出的数据可以得到每增加或减少93mV的直流控制电压，通道的接收增益可以增加或减少3dB，控制十分灵活方便。