为高阻抗压电传感器设计超低输出噪声放大器.doc

为高阻抗压电传感器设计超低输出噪声放大器摘要一个分析输出噪声的超声换能器的高阻抗低噪声放大器的电压模型被提了出来。运算放大器具有低输入偏置电流放大器是为了避免使用补偿电阻，补偿电阻会大大增加噪音在运算放大器输入时。建议的分析模型，包括超声波传感器，提供了一个有用的工具来设计，比较和选择的元件值。2005年Elsevier Ltd公司版权所有。关键词：低噪声放大器；空气耦合超声；超声波无损检测；兰姆波 1简介 空气耦合超声检查的方式可以避免液体耦合剂1。这是一种特别有用的当被检查的材料，如纸，可能会被改变或销毁时。但是，这种方法被限制了，因为大的声阻抗与气体和材料之间的不匹配让超声能量转移到检查材料变得困难。一个标准的压电材料与空气之间阻抗不匹配的比例是相当大于与水的情况下，即声阻抗在室温下空气是430 Rayls对水的150 MRayls。这意味着，固态到空气接口采用插入损耗在60 分贝范围和通常必须大于90分贝的动态范围1,2。兰姆波3超声技术大多是基于单一元件的超声传感器的应用是专门为适应于激发兰姆波模式。不幸的是，在网上应用，传感器的方向可能是一个问题，因为材料在试验没有一个稳定的位置4。在使用压电阵列下可以准确掌握播送，从而克服了传感器方向问题。然而，由于事实上只有几度可以达到一维线性阵列，是目前已在工作中使用的一种新型的凹阵列 5。由于他们的小尺寸，数组元素让高阻抗值和低信号功率可实现。因此，放大器的设计要求特殊注意，由于贫困信噪比。我们建议一个超低噪声和高增益电路6来接收数组元素，以提高信噪比。噪声不同的拓扑性能7进行了研究和比较，呈现出最好的选择。我们公布发达的方法来解决这个问题。在第二节中，详细介绍传感器的模型阻抗。放大器拓扑结构建议在第三节中与商业运算放大器使用输出噪声功率谱密度模型进行比较。运算放大器被选择处理其噪音和DC性能。在第4节，是一个总输出噪声电压分析模型的介绍。为了便于各前端元素的元件值计算。实验测量结果以及他们与提出的模型对比在第5节中讨论，之后的一节是结论。2.传感器等效的阻抗主要要求进行放大器设计的是过低的噪音和高增益，高阻抗的传感器的构成要件的排列传统，过低噪音的运算放大器是无效的，因为他们当前的噪音不能看作是可忽略的。这表明频率依赖于单独元件的阻抗。 围绕这共振的频率分析，一个压电的超声波传感器可以是作为图2表明的模型，其中C0是等效电容，遥感技术的代表辐射和机械性能损耗并最终没有。Ls和Cs是这些共振性能的传感器的模型。一个电阻与C0并联加到模型中会使电能消耗。这个传感器的阻抗被表达通过这模型的参数和（1）式的频率。Ws和Wp被串联和并联的共振频率。分别为：实部乘以阻抗的数量级如(2)和(3)式，这表达式将需要计算传感器的贡献,热噪声在这放大器的输出：Fig. 1阻抗级对一个传感器阵列元件的频率图Fig. 2. 压电陶瓷在共振频率附近的电气模型3.放大器设计一个非逆变的运算放大器配置被选择因为它高的输入阻抗，如图3所示。这RT电阻补偿运算放大器的偏差电流，IB和基本运算放大器非逆变输入。RT的值由(4)式给出，也就是说，逆变和非逆变的输入阻抗必须等同于最小运算放大器输入偏差电流的影响：设想这些高电压增益作为放大器的配置，这并联电路的等效电阻在R1和R2之间大约等于R1。因此，传感器的阻抗在低频率趋势于无限大的值，这个值包含由RT和Zs并联组成的电路的阻抗大约等于RT。因此，当R1和RT同时有相似的值时，输入偏差电流被补偿。为避免非逆变运算放大器输入电压过度损耗而需要被外加：RT的最小值大约为20千欧姆 然而在共振频率时传感器的阻抗大约为2千欧姆，如图1所示。应用(5)和R1=RT，(6)所示的一些电阻值最小的已经被选择为最小噪音：图4表明噪音的等效电相应的放大器配置被建议成图3所示。超声波传感器的噪音，Fig.3.一个同相放大器电路简图 Fig. 4为一个阶段放大器噪声等效电路与偏压电流的补偿电阻， RT。在超声波传感器中， 是通过热量来控制噪声并且直接与相关传感器带电电阻（8）式的实部反过来依赖于频率，如在(2)式中看到。运算放大器噪声表现为它可以描述成三个等效输入噪声发电器：一个光谱密度电压发电器，连接到一系列非倒置的输入端和两个光谱密度电流发电器， 和，同时连接发电器的非倒置和倒置输入端到接地 。制造商在表一中列出仪器的精确参数和可供选择的设备。此外， ， 和分别对应于光谱密度噪声电压的、和。 对噪声等效电路的分析可以得到输出噪声功率光谱密度： 那里G是放大器的电压增益，它可以表示为：我们可以假设 并且，然后(7) 式就可以写成：正如接下来我们将要看到的，有趣的是当趋于无穷大时我们得到了输出噪声功率光谱密度的表达式 。当趋向于无穷大时用这一作用来估计（10）式时我们得到（9）式的极限。输出噪声功率光谱密度用近似表示为：的作用比更重要如（11）式中所示：最后，和的表达式可以近似表示为：噪声电压的有效值，由部分或者系统引起的噪音电压光谱密度从到的频率带已给出为那里WL和NBW是低限和等效噪声带宽。Eq（15）显示了角频率为WL和WH、转动增益为20dB/decade的带通系统的噪声带宽，如Fig.5所示：主要的集成电路制造商都采用适合超声波接收器的低噪音运算放大器版本。在表1中展示的是选出来的性能优良的运算放大器，它们每一个都含有三个参数：和为了评估和运算放大器对输出噪音电压有效值的影响，我们通过（13）式和（14）式计算，并且绘制的阻抗曲线于。结果被列于表1，其中有三种情况值得我们研究。第一，当输入偏压补偿电流时作为输出噪音电压，它的各部分值已在（6）中给出。第二，当输入偏压但非补偿电流时作为输出噪音电压而此时趋于无穷大，和在第一种情况下值相等并且的值很大为。为了评价Rt和运算放大器对RMS输出电压噪音的影响，我们已经用(13)(14)在数值上计算出了Ento并且阻抗Zs的测量值的图线已经用图一描绘出来。表一中列出了计算结果同时也给出了三个研究的例子。第一，当输入偏置电流被补偿并且当元件参数如(6)所示时，Ento1是输出噪声的电压。第二，当输入偏置电流不被补偿并且Rt趋于无穷大时，Ento2是输出噪音电压，在第一个例子里面R1和R2有相同的阻值并且Rt阻值非常大，达到10M欧姆。最后，Ento3是输出噪音当输入噪音不被补偿，Rt趋向无穷大，并且R1和R2有最小值使热噪音取得最小值。每个例子的输出补偿电压等价于Vos1,Vos2,Vos3。为了比较噪音的作用，W1和W2的值在每个例子中已经被假设相等。Fig. 5. 等效噪声带宽的定义.表格1 低噪声运算放大器比较 我们看到，Rt并不影响输出噪音电压是因为Ento1和Ento2相类似。此外，由于Ento1对于所有的运算放大器的作用大大地优于Ento2，Rt的作用已经被忽略，这是由于Rt的值(可以忽略)。就像在(5)中所看到的，输入偏置电流的补偿强制R1和R2(需要)高的阻值。如果不限制R1和R2的应用我们可以为这个元件选择更低的值，（例如）（像）第三个例子，然后我们可以获得输出噪音电压的最低值，但是除了OPA657之外，输出补偿电压明显地超出了所有的运算放大器饱和极限。因此，OPA657被选用由于它的最佳噪音和补偿表现。Rt的值必须（被确信）修正运算放大器的偏置和输出补偿电压的限制。4输出噪音电压 已经论证过，对于放大器来说，当达到最小输出噪音时，同向端没有补偿的输入偏置电流的配置是最优的拓扑(结构)。高Rt值正确地偏置运算放大器的输入()并且对噪音的表现没有影响。 下一步将要获得一个总的输出噪音电压的分析表达式（使之）能够用于简单地计算一个噪音表现良好的估计值，目的是为了使元件的选择最优化。因此，如果我们假设Rt趋向于无穷大，总的输出噪音电压Eno(平方)能够从(14)和(12)得到： 将Es(平方)代入(16)，得上式中第二、第三项积分中Zs的实部和模分别由(2)和(3)给出，积分值由下列式子给出和其中和如果将典型的转换器模型参数代入(20)，那么对于平方根的讨论的将会得到一个负值。因此，所有的表达式都是纯虚数。这是用数学方法得到的结果。尽管如此，(18)(19)的积分仍然是一个实数值。表格2所有研究报道的传感器模型值参数值Co 65 pFCs26 pFLs1.6 mHRs1.8 kU因此,总输出噪声电压可通过解析表达式(23)来估计: 5结果和讨论为证明输出噪声电压分析模式的有用性，我们将通过测量的方法对比由式（23）得出的模型值。用于传感器模型的那些值已经展示在表2了。这些值是这种传感器阵列元件所以特有的。在Fig.3中的放大器电路中，为将直流增益减少到0，我们将一个电容C1和电阻R1串连接入电路中得到图Fig.6。通过使用一个128kHz的低频（较低的等效噪声带宽fL的下限），它也增加了高通性。为获得40dB的增益，我们选择电阻的阻值分别为，R1=10，R2=1k。增益的测量值是38.5dB。由于电容C2和电阻R3的使用，带宽频率的上限fH是2.2MHz。因此，wL和wH是804 krad/s 和13.8 Mrad/s，个而由式（15）给出的等效噪声带宽NBW则是23Mrad/s。Fig. 6.放大器应用的原理图Fig. 7.对比用于OPA657的RT的有效输出噪声电压当用方程（23）来计算时，Eno=0.906mV,当使用阻抗测量传感器和等式（17）时，Eno=0.929。可以看出,通过这两种方法我们得出了类似的结果。测定的输出噪声电压有效值Eno=0.85mV。这个值非常接近我们分析计算得出的值。图Fig. 7显示出了受控于RT的输出噪声电压受控源，可以看出来噪声性能在选定值下是最低的。10 M的RT保证了OPA657的正确偏置，同时相比更高的阻值而言，它提供了相似的噪声性能。 最后，输出噪声功率频谱密度和有效输出噪声电压可以用安捷伦公司生产的频谱分析器来进行测量计算。图Fig. 8中用实线显示了enoto的测量值，与通过表达式（7），在图中用虚线表示出来的模拟压电激励形成对比。正如我们看到的，分析模型的结果很接近测量的实际性能。6. 结论事实表明，压电转换放大器（包括负载效应）的输出噪声性能是有可能模拟出来的。一个计设超低噪声放大器的方法被提了出来。通过使用一些方程式，放大器的噪声性能是可以计算出来的。这个方法，现在可以描述出来是，在噪声条件下，让我们有可能为传感器选择最好的运算放大器。在案例研究中，高阻抗传感器的最佳选择就是OPA657，因为它的偏流和输入电流噪声都很小。在其他设计中，当传感器显示出低阻抗值时，另一个运算放大器就应该精心挑选，因为OPA657具有很高的输入电压噪声。鸣谢这个研究受到了研究项目DPI2001-2156-C02-01和西班牙科学与技术部门02的大力支持。参考文献1 McIntyre CS, Hutchins DA, Billson DR, Stor-Pellinen J. 用于测试纸的空气耦合超声波的用途。 Ultrason, Ferroelectr Frequency Control IEEE Trans 2001;48(3):71727.2 Grandia WA, Fortunko CM. 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