電磁超聲換能器的前置放大電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電磁超聲換能器接收線圈接收到的信號(hào)通常十分微弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分別應(yīng)用NJM4580和AD620的微小信號(hào)放大電路，并通過關(guān)國國家儀器公司的Multisim 10軟件中波特圖儀和示波器對(duì)兩前置放大電路進(jìn)行虛擬仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了應(yīng)用AD620的放大電路在微小信號(hào)放大上不僅電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且在放大性能上更加優(yōu)于應(yīng)用NJM4580運(yùn)算放大器構(gòu)成的差分級(jí)聯(lián)放大電路。
關(guān)鍵詞：前置放大器；NJM4580；AD620；Multisim 10

0 引言
在無損檢測(cè)中，EMAT因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但經(jīng)EMAT接受線圈接受到的信號(hào)通常很微弱，信號(hào)幅值小，一般只有幾十μV到幾百μV，并且對(duì)周圍環(huán)境噪聲敏感度高，接收信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)失真和自激的現(xiàn)象，通常采用多級(jí)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(shè)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(guān)重要的作用。應(yīng)用專業(yè)的EDA軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，能夠更迅速準(zhǔn)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(shè)計(jì)了2種前置放大器，并且利用Multisim10仿真軟件對(duì)這2種電路進(jìn)行了仿真比較。

1 前置放大器
1．1 用NJM4580設(shè)計(jì)的放大器
在第一種電路設(shè)計(jì)中，選用NJM4580運(yùn)算放大器，該放大器是日本新無線公司生產(chǎn)的雙路運(yùn)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(cè)量工具等。
NJM4580的主要特點(diǎn)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(shù)。應(yīng)用NJM4580設(shè)計(jì)的放大器電路如圖1所示。
本設(shè)計(jì)采用NJM4580，主要是在差分放大電路設(shè)計(jì)部分保持信號(hào)的帶寬，使其不失真。采用3個(gè)運(yùn)算放大器排成2級(jí)，由運(yùn)放U1A，U2A按通向輸入接法組成第1級(jí)差分放大電路，運(yùn)放U3A組成第2級(jí)差分放大電路。在第1級(jí)電路中，信號(hào)源加到U1A的同相端，R6和R3，R4組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了負(fù)反饋。
為了使電路對(duì)稱，提高儀用放大器性能，選取的電阻應(yīng)滿足R3=R4關(guān)系，參數(shù)嚴(yán)格匹配，誤差控制在很小范圍內(nèi)。經(jīng)過計(jì)算，最終得到輸出電壓的關(guān)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(guān)系，達(dá)到不同信號(hào)放大比例的要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一?？紤]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(shè)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(shè)計(jì)時(shí)確定R6為2 kΩ。該放大電路是級(jí)聯(lián)放大電路，為前級(jí)放大，而后級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路則由2個(gè)741級(jí)聯(lián)構(gòu)成，共同組成一個(gè)完整的信號(hào)接收端的前置放大電路。