高性能声学通用信号调理器设计

    0 引 言

    在声学检测设备中,需要信号调理器对声学传感器接收到的信号进行放大滤波,然而不同的测量场合对信号调理器的性能指标及要求不尽相同。为此,我们研制出一种带增益控制的高性能声学通用信号调理器,通过组合可组成通用型、特低噪声、特高阻抗、直接放大、差频放大、自动增益控制、时间增益控制等形式的信号调理器,可用于音频检测、超声检测、振动噪声检测及水声检测等设备中。

    1 系统结构及工作原理

    高性能通用信号调理器电原理框图如图1所示。前置放大器设计成通用型、特低噪声型、特高阻抗型等几类,在不同的使用场合下对不同的传感器,选用相应的前置放大器进行适配。

    通用型前置放大器采用普通低噪声集成放大电路,性能适中,价格低,工作频带为DC~10 MHz,增益0~40dB可选,具有良好的性价比。

    特低噪声型前置放大器是配低阻抗传感器检测微弱信号使用的,其短路电压噪声密度可低至014nV/ Hz以下,通过输入级多个晶体管并联的方法可进一步降低电压噪声。

    特低噪声型前置放大器电路示意图如图2所示。它为单电源单端输入放大器,输入端采用无噪声偏置,电阻采用低噪声优质电阻,晶体管采用双极型低噪声管,且用4个晶体管并联进一步降低电压噪声,主放大级采用共射-共基电路,能有效拓宽放大器的工作频带。

    放大器噪声主要由第一级放大电路引起,主要包括热噪声、低频1/f噪声和散弹噪声。该电路输入端中频段总噪声谱密度均方值:

    式中:rbbc为基极体电阻; re为结电阻; Rs为传感器阻抗。

    令Rs=0,可得输入端电压噪声谱密度均方值:

E2n=4KTrbbc+2qIbr2e+2qIbr2bbc;

    令Rs→],各项除以R2s,可得输入端电流噪声谱密度均方值:

    可以看出,为减小放大器的电压噪声,必须选用基极体电阻rbbc小的晶体管,并工作在大集电极电流状况下;为减小放大器的电流噪声,必须选用漏电小、B值高的晶体管,并工作在小集电极电流状况下。选用美国2N5210低噪声三极管,并使集电极工作电流为1mA,使该特低噪声型前置放大器短路电压噪声密度低达0. 4nV/ Hz。

    特高阻抗前置放大器采用绝缘栅低噪声场效应管作放大管,采用动态反馈电路及动态侍服供电电路,能效抵消输入信号线分布电容及场效应管的输入电容,提高输入阻抗,放大器的输入阻抗达5G8以上,输入电容小于2PF, -0. 5dB工作带宽0. 1Hz~500kHz, 20Hz~200kHz带宽等效输入噪声<6LV。采用120V电压供电,输出电压可达30Vrms,动态范围可达134dB,可作内阻极高的高性能声学测量传感器(如电容式拾音器)的前置放大器。