电磁超声换能器的前置放大电路设计

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。

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