一种用于水听器电压检测的模拟前端电路

　　0 引言

　　声波是水下远距离信息传播和接收的唯一有效载体。水听器的出现，改变了传统上对水下声信号接收只能依赖声压标量的状态，同时其对水下声矢量信号的接收已显现出越来越大的优势。一个典型的水听器检测单元包括由模拟前端电路、模数转换器组成的模拟部分，由CPU、存储器、嵌入式操作系统等组成的数字处理单元以及通信单元和电源。由于水下声信号微弱，且有时需要进行长距离传输，极易受到环境噪声的干扰，因此给检测核心的模拟前端电路设计带来了极大挑战。传统的水听器模拟前端系统都采用分立的低噪声低失调运算放大器和滤波器实现检测，再与模数转换器构成板级系统，规模庞大，且易受外界环境干扰，检测精度较低。由于远距离探测和低频噪声测量等需求的出现，水听器模拟前端系统正向小型化、高灵敏度和集成化发展，学术界和工业界都对此开展了广泛的研究。

　　1 水听器模拟前端检测原理和模块电路设计实现

　　水听器电压检测模拟前端电路系统框图如图1所示，主要包括低噪声低失调斩波运算放大器、gm-C滤波器和增益放大器三部分。

　　1.1 低噪声低失调斩波运算放大器

　　由于传感器信号基本处于低频段，信号幅度微小，极易受到水下噪声的干扰，使检测精度降低，因此需要后端CMOS检测电路具有较好的失调电压和低频1/f噪声性能，尤其是位于模拟前端电路第一级的运算放大器，其失调和噪声性能更是决定整体检测电路成败的关键，因此面向传感器检测的高精度运算放大器电路正受到越来越多的关注。

　　目前用于降低失调电压和低频1/f噪声的设计技术主要有: 自动调零和斩波技术两种。自动调零是一种离散采样技术，通过对与信号独立的失调电压和低频1/f噪声进行采样，相减操作，实现失调电压和低频1/f噪声的降低。但由于其对高斯白噪声的欠采样，容易造成噪声混叠，从而引起整体噪声本底的上升，因而通常应用于开关电容离散信号电路中。斩波技术是一种连续时间方法，它采用调制和解调的方法，将1/f噪声和失调电压调制到高频端，并用低通滤波器滤除，而有用信号经过调制后，又解调回基带，消除了白噪声混叠的缺点，因此非常适用于连续时间的传感器检测电路中。目前已经广泛应用于加速度计、热电堆和风速计等检测电路中。

　　由于传统斩波运算放大器选择在高阻的输入和输出节点进行调制解调，减小了输出电压摆幅。同时受到运算放大器单位增益带宽的限制，可处理信号带宽较小，且在输出端添加斩波开关的方式，导致开关噪声直接耦合到输出端，恶化了信号精度。因此本次设计采用在低阻电流通路添加斩波开关的设计思路[1-5]。设计的两级全差分共源共栅斩波运算放大器的电路如图2所示，主要由米勒补偿的两级折叠共源共栅运算放大器和三个斩波开关S1，S2，S3组成。