電磁超聲換能器的前置放大電路設計

摘要：針對電磁超聲換能器接收線圈接收到的信號通常十分微弱的特點，設計了分別應用NJM4580和AD620的微小信號放大電路，并通過關國國家儀器公司的Multisim 10軟件中波特圖儀和示波器對兩前置放大電路進行虛擬仿真，并對仿真結(jié)果進行比較，驗證了應用AD620的放大電路在微小信號放大上不僅電路構(gòu)成簡單，而且在放大性能上更加優(yōu)于應用NJM4580運算放大器構(gòu)成的差分級聯(lián)放大電路。
關鍵詞：前置放大器；NJM4580；AD620；Multisim 10

0 引言
在無損檢測中，EMAT因其獨有的優(yōu)點被廣泛應用，但經(jīng)EMAT接受線圈接受到的信號通常很微弱，信號幅值小，一般只有幾十μV到幾百μV，并且對周圍環(huán)境噪聲敏感度高，接收信號常被淹沒在噪聲中，輻射模式較寬，能量不集中。為了得到適合顯示觀察的水平，需要對信號進行放大和濾波處理，以減少噪聲和干擾。為了避免EMAT的接收系統(tǒng)放大倍數(shù)過大引起信號失真和自激的現(xiàn)象，通常采用多級放大。主要包括前置放大器、濾波器、主放大器，以及用于在數(shù)字設備中的A／D轉(zhuǎn)換電路等。為了得到更好的結(jié)果，前置放大器自然起著至關重要的作用。應用專業(yè)的EDA軟件對其進行仿真分析，能夠更迅速準確地分析電路性能，從而選出性能較好更適合需要的電路，本文設計了2種前置放大器，并且利用Multisim10仿真軟件對這2種電路進行了仿真比較。

1 前置放大器
1．1 用NJM4580設計的放大器
在第一種電路設計中，選用NJM4580運算放大器，該放大器是日本新無線公司生產(chǎn)的雙路運算放大器，具有無噪聲、更高的增益帶寬、高輸入電流和低失真度，不僅適用于音響前置放大器的音響電子部分和有源濾波器，還適用于手工測量工具等。
NJM4580的主要特點是：工作電壓為±5～±18 V；低輸入噪聲電壓為0．8μV；增益帶寬為15 MHz；低失真為0．005％；轉(zhuǎn)換速率為5V／μV；采用雙極技術。應用NJM4580設計的放大器電路如圖1所示。
本設計采用NJM4580，主要是在差分放大電路設計部分保持信號的帶寬，使其不失真。采用3個運算放大器排成2級，由運放U1A，U2A按通向輸入接法組成第1級差分放大電路，運放U3A組成第2級差分放大電路。在第1級電路中，信號源加到U1A的同相端，R6和R3，R4組成的反饋網(wǎng)絡，引入了負反饋。
為了使電路對稱，提高儀用放大器性能，選取的電阻應滿足R3=R4關系，參數(shù)嚴格匹配，誤差控制在很小范圍內(nèi)。經(jīng)過計算，最終得到輸出電壓的關系如式(1)：

從式(2)中可直觀看到，根據(jù)選取R5／R1和R3／R6電阻的比例關系，達到不同信號放大比例的要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設計中最重要的環(huán)節(jié)之一。考慮到電路的穩(wěn)定和安全，固定R1～R5，R7，R8的阻值，都選精確的10kΩ電阻，只將R6設置成可調(diào)，隨著R6的減小，放大倍數(shù)越大，帶寬越窄。所以設計時確定R6為2 kΩ。該放大電路是級聯(lián)放大電路，為前級放大，而后級級聯(lián)放大電路則由2個741級聯(lián)構(gòu)成，共同組成一個完整的信號接收端的前置放大電路。