CN219164530U - 一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及硬件芯片的开发设计技术领域，具体提供了一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，包括初级运放、次级运放、差分运放、阻抗匹配电路、初级滤波电路、初级反馈电路、次级二阶滤波电路、次级反馈电路、差分反馈电路、供电电路。本申请通过设计初级滤波电路、次级二阶滤波电路，降低了小信号放大电路中的噪声干扰，同时通过设计两级放大电路和一级差分放大电路，将换能器采集到的单端小信号放大后进行差分输出，使电路有较高的共模抑制比，放大有用信号而抑制共模信号，降低了输出信号的共模干扰，提高了输出信号的信噪比。

Description

一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路

技术领域

本申请涉及硬件芯片的开发设计技术领域，尤其涉及一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路。

背景技术

当今各个国家都在努力加强海军建设和大范围开发海洋事业，声波是已知的唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体，海洋研究、资源开发、海上军事斗争都离不开水声技术，而水声技术的发展需要各类水声换能器提供支撑。水声换能器技术是将声信号转化为电信号或将电信号转化为声信号的一种装置，通过声-电信号的相互转化，可以达到水下目标探测、水下信息传播和水下信息提取等目的。

远距离的目标探测产生的电压信号非常微弱，需要经过前置小信号放大器进行微弱小信号放大，然后提供给后端的信号处理系统，而水下传播环境比较复杂，各种环境噪声被换能器一并采集然后进行传输，噪声对有效信号的干扰可能很严重，在目标探测产生的电压信号被放大的同时，环境噪声也被放大。同时，目前集成电路的尺寸越来越小，但是，这种小尺寸的电路中的电信号更容易受到各种信号的干扰而产生电信号噪声，例如声音的电信号噪声等。另外，小信号电路中由于器件尺寸小、信号线距离更近等问题也会导致小信号电路内部噪声的产生。

因此，设计一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，以有效降低环境噪声对放大信号的干扰，提高输出信号的信噪比就显得尤为重要。

实用新型内容

为了解决上述的问题，本申请的实施例中提供了一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，本申请通过设计初级滤波电路、次级二阶滤波电路，降低了小信号放大电路中的噪声干扰，同时通过设计两级放大电路和一级差分放大电路，将换能器采集到的单端小信号放大后进行差分输出，使电路有较高的共模抑制比，放大有用信号而抑制共模信号，降低了输出信号的共模干扰，提高了输出信号的信噪比。

为此，本申请的实施例中采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，包括初级运放、次级运放、差分运放、阻抗匹配电路、初级滤波电路、初级反馈电路、次级二阶滤波电路、次级反馈电路、差分反馈电路、供电电路；其中，

所述初级运放、次级运放和差分运放依次连接，用以将水声换能器输入的单端信号放大后转换为两路输出的差分放大信号；

所述阻抗匹配电路连接于水声换能器信号输出端和地之间，用于匹配水声换能器的阻抗；

所述初级滤波电路连接于水声换能器信号输出端和初级运放的正相输入端之间，形成低通滤波器，用于初步滤除放大信号中包含的高频干扰信号；

所述初级反馈电路连接于初级运放的输出端和反向输入端之间；

所述次级二阶滤波电路连接于初级运放输出端与次级运放正向输入端之间，形成二阶低通滤波器，用于滤除初级运放放大信号里包含的高频干扰信号；

所述次级反馈电路连接于次级运放的输出端和反向输入端之间；

所述差分反馈电路包括第一差分运放反馈环和第二差分运放反馈环，所述次级运放输出端经过第一差分运放反馈环与差分运放正相输入端连接，所述第二差分运放反馈环连接于差分运放反相输出端与正相输入端之间；

所述供电电路包括单电源电压幅值转换电路和电压极性反转电路，所述单电源电压幅值转换电路用于实现宽输入电压到基准电压转换，所述电压极性反转电路用于将正基准电压进行电压极性反转为负基准电压。

作为一个可以实现的实施方式，所述初级滤波电路包括电阻R4、电容C6；所述电阻R4的第一端与水声换能器的信号输出端相连，第二端分别于电容C6的第一端及初级运放正相输入端相连；所述电容C6的第二端与地相连。

作为一个可以实现的实施方式，所述次级二阶滤波电路包括电阻R8、电容C7、电阻R9、电容C8；所述电阻R8的第一端与初级运放输出端相连，第二端分别与电容C7、电阻R9的第一端相连；电阻R9的第二端分别与电容C8的第一端、次级运放正相输入端相连；电容C7、电容C8的第二端分别与地连接。

作为一个可以实现的实施方式，所述初级反馈电路包括电阻R6、R7；所述电阻R6连接于初级运放输出端与初级运放反相输入端之间，电阻R7连接于初级运放反相输入端与地之间。

作为一个可以实现的实施方式，所述次级运放反馈电路包括电阻R10和电阻R11；所述电阻R10连接于次级运放输出端与次级运放反相输入端之间，所述电阻R11连接于次级运放反相输入端与地之间。

作为一个可以实现的实施方式，所述第一差分运放反馈环包括电阻R13和电阻R12；所述电阻R13连接于差分运放反相输出端与差分运放正相输入端之间，所述电阻R12连接于次级运放输出端与差分运放正相输入端之间。

作为一个可以实现的实施方式，所述第二差分运放反馈环包括电阻R14和电阻R15；所述电阻R14连接于差分运放正相输出端与差分运放反相输入端之间，所述电阻R15连接于差分运放反相输入端与地之间。

作为一个可以实现的实施方式，所述阻抗匹配电路包括电阻R5；电阻R5的第一端与换能器信号输出端连接，第二端与地连接。

作为一个可以实现的实施方式，所述单电源电压幅值转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、基准电压源TL431芯片和电容C1；所述电阻R1的第一端与供电电源正极相连，第二端分别与电阻R2的第一端、基准电压源TL431芯片K极引脚、电容C1的第一端连接后与+5V输出连接；电阻R2第二端分别与电阻R3的第一端、基准电压源TL431芯片REF引脚连接；电阻R3第二端分别与基准电压源TL431芯片A极引脚、电容C1第二端连接后与地连接。

作为一个可以实现的实施方式，所述电压极性反转电路包括电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电源芯片ICL7660；所述电容C3的第一端分别与+5V输出、电源ICL7660芯片V+引脚连接，第二端与地连接；电容C2的第一端与电源ICL7660芯片CAP+引脚连接，第二端与电源ICL7660芯片CAP-引脚连接；电容C4、电容C5并联后第一端与地连接，第二端分别与电源ICL7660芯片Vout引脚、-5V输出连接。

从上述方案可以看出，本申请通过设计单电源电压幅值转换电路及电压极性反转电路给初级运放、次级运放和差分运放供电，设计初级滤波电路、次级二阶滤波电路，进而降低了小信号放大电路中的噪声干扰，设计了两级放大电路和一级差分放大电路，将小信号进行放大，提高了信号的信噪比。本申请的放大电路实现了换能器输出小信号采集到增益放大后的差分输出，降低了输出信号的共模干扰，提高了信号的信噪比，本申请的放大电路采用集成电路设计，具有低功率、小尺寸等优点，适用于噪声要求低，功率小和空间小的场合

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制，可以夸大或者省略某些特征，以更加清楚地示出和解释本申请。

图1(a)为本申请实施例中提供的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路结构示意图；

图1(b)为本申请实施例中提供的单电源电压幅值转换电路结构示意图；

图1(c)为本申请实施例中提供的电压极性反转电路结构示意图；

图2是本申请的测试点Vout1放大增益仿真曲线。

图3是本申请的测试点Vout2放大增益仿真曲线。

图4是本申请的测试点Vout1输出噪声仿真曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了更完全地理解本申请，给出了下面的实施例。这些实施例是用于具体说明本申请的实施方案，而不应以任何方式将其理解为是对本申请范围的限制。

参照图1(a-c)，为本申请实施例公开的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，包括用于接收换能器信号输出端输出信号的Vin信号输入端和用于向外输出滤波放大信号的Vout1和Vout2的两个差分信号输出端，以及初级运放U3A、次级运放U3B、差分运放U4、阻抗匹配电路、初级滤波电路、初级反馈电路、次级二阶滤波电路、次级反馈电路、差分反馈电路、供电电路。

优选的，初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4依次顺序连接，用以将水声换能器输入的单端信号放大后转换为两路输出的差分放大信号。

进一步优选的，初级运放(初级运算放大器)U3A、次级运放(次级运算放大器)U3B和差分运放(差分运算放大器)U4选用低噪声集成运放，以有效减小放大电路自身的噪声干扰，提高小信号的信噪比。且初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4皆具有正相输入端、反向输入端和输出端。

具体的，初级运放U3A、次级运放U3B均采用ADI公司的AD8676ARMZ芯片，该芯片具有：极低电压噪声：2.8nV/√Hz@1kHz；极低失调电压：12uV；宽工作电源范围：±5V至±18V；轨到轨输出摆幅：低输入偏置电流：2nA；低输入失调温漂：0.6uV/℃。

差分运放U4采用ADI公司的LTC1992芯片，该芯片具有：全差分输入和输出；轨至轨输出摆幅；采用8引脚MSOP封装。

继续参阅图1(a)，作为本实施方案的优选方案，阻抗匹配电路连接于水声换能器信号输出端和接地GND之间，具体的，阻抗匹配电路包括电阻R5；电阻R5的第一端与信号输入端Vin连接，第二端与接地GND连接。进一步优选的，电阻R5的阻值为1.2MΩ，用于匹配水声换能器的阻抗，从而减少电路中输入信号的反射衰减，提升信号传输的稳定性。

优选的，初级滤波电路连接于水声换能器信号输出端和初级运放U3A的正相输入端之间，形成低通滤波器，用于初步滤除放大信号中包含的高频干扰信号。

具体的，初级滤波电路包括电阻R4、电容C6；电阻R4的第一端与信号输入端Vin相连，第二端分别于电容C6的第一端及初级运放U3A正相输入端相连；电容C6的第二端与接地GND相连。进一步的，电阻R4的阻值为330Ω，电容C6的电容量为4.7nF，使得初级滤波电中心频率与输入信号的频率一致，实现以设定频率为中心进行窄带宽滤波，从而有效消除外界杂频信号，用以保留有效频率的信号，提升电路的抗干扰性。

优选的，初级反馈电路连接于初级运放U3A的输出端和反向输入端之间，且初级反馈电路包括电阻R6和R7；电阻R6连接于初级运放U3A输出端与初级运放U3A的反相输入端之间，电阻R7连接于初级运放U3A的反相输入端与接地GND之间。

示例的，电阻R6的阻值为2.05KΩ，电阻R7的阻值为100Ω，电阻R6和电阻R7构成初级运放U3A的反馈网络，用以保证初级运放U3A放大电路的稳定性，也决定了初级运放U3A的输出端信号与输入端信号的放大比例。

优选的，次级二阶滤波电路连接于初级运放U3A输出端与次级运放U3B正向输入端之间，形成二阶低通滤波器，用于滤除初级运放U3A放大信号里包含的高频干扰信号。

具体的，次级二阶滤波电路包括电阻R8、电容C7、电阻R9、电容C8；电阻R8的第一端与初级运放U3A输出端相连，第二端分别与电容C7、电阻R9的第一端相连；电阻R9的第二端分别与电容C8的第一端、次级运放U3B正相输入端相连；电容C7、电容C8的第二端分别与接地GND连接。

示例的，电阻R8和R9的阻值相等皆为330Ω；电容C7、电容C的电容量相等皆为4.7nF，从而以设定频率为中心对初级放大信号进行窄带宽滤波，进一步滤除环境和电路中的低频和高频干扰，消除环境和电路内部噪声。

优选的，次级反馈电路连接于次级运放U3B的输出端和反向输入端之间；且次级运放反馈电路包括电阻R10和电阻R11；电阻R10连接于次级运放U3B输出端与次级运放U3B反相输入端之间，电阻R11连接于次级运放U3B反相输入端与接地GND之间。

示例的，电阻R10的阻值为2.2KΩ，电阻R11的阻值为1.6KΩ，电阻R10和电阻R11构成次级运放U3B的反馈网络，用以保证次级运放U3B放大电路的稳定性，也决定了次级运放U3B的输出端信号与输入端信号的放大比例。

优选的，差分反馈电路包括第一差分运放反馈环和第二差分运放反馈环，次级运放U3B输出端经过第一差分运放反馈环与差分运放U4正相输入端连接，第二差分运放反馈环连接于差分运放U4反相输出端与正相输入端之间。

具体的，第一差分运放反馈环包括电阻R13和电阻R12；电阻R13连接于差分运放U4反相输出端与差分运放U4正相输入端之间，电阻R12连接于次级运放U3B输出端与差分运放U4正相输入端之间。

第二差分运放反馈环包括电阻R14和电阻R15；电阻R14连接于差分运放U4正相输出端与差分运放U4反相输入端之间，电阻R15连接于差分运放U4反相输入端与接地GND之间。

需要说明的是，电阻R12、R13、R14、R15的阻值满足R12＝R15＝1KΩ、R13＝R14＝2KΩ，用以保证差分运放的电路稳定性。

此外值得一提的是，参阅图1(b)和图1(c)，供电电路用于为初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4提供电源。优选的，供电电路包括单电源电压幅值转换电路和电压极性反转电路，单电源电压幅值转换电路用于实现宽输入电压到正基准电压转换，电压极性反转电路用于将正基准电压进行电压极性反转为负基准电压。

具体的，图1(b)为单电源电压幅值转换电路结构示意图，参阅图1(b)，单电源电压幅值转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、基准电压源TL431芯片和电容C1。

单电源电压幅值转换电路的供电电源为直流电源，且供电电源的电压值范围在+5V～+24V之间。电阻R1的第一端与供电电源正极相连，第二端分别与电阻R2的第一端、基准电压源TL431芯片K极引脚、电容C1的第一端连接后输出+5V的VDD工作电压，+5V的VDD工作电压同时与初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4的电源输入端连接用以提供电源；电阻R2第二端分别与电阻R3的第一端、基准电压源TL431芯片REF引脚连接；电阻R3第二端分别与基准电压源TL431芯片A极引脚、电容C1第二端连接后与接地GND连接。其中，电阻R1的阻值为500Ω，电阻R2和电阻R3的阻值相等皆为2.2KΩ，电容C1的电容值为10μF。

图1(c)为电压极性反转电路结构示意图，参阅图1(c)，电压极性反转电路包括电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电源芯片ICL7660。

其中，单电源电压幅值转换电路输出的+5V的VDD工作电压为电压极性反转电路的输入电源。具体的，电容C3的第一端分别与+5V的VDD工作电压、电源ICL7660芯片V+引脚连接，第二端与接地GND连接；电容C2的第一端与电源ICL7660芯片CAP+引脚连接，第二端与电源ICL7660芯片CAP-引脚连接；电容C4、电容C5并联后第一端与接地GND连接，第二端分别与电源ICL7660芯片Vout引脚连接后输出-5V的VSS接地端电压，-5V的VSS接地端电压同时与初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4的接地输入端连接用以提供接地端电压。此外，电容C2、C3、C4的电容值皆为10μF，电容C5的电容值为0.1μF。

图2和图3是差分运算放大器输出端放大增益仿真结果曲线，如图2和图3所示，放大电路3dB工作频带范围截止到30kHz,工作频带内放大倍数为50倍，放大增益达到34dB@3dB。

图4是差分运放放大区输出端噪声仿真曲线。如图4所示，经过50倍放大后的输出噪声为32.66uV，折算到输入端，放大电路等效输入噪声为0.65uV，实现了极低噪声放大。

本申请实施例公开的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路的实施原理为：本申请通过设计单电源电压幅值转换电路及电压极性反转电路给运算放大器(初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4)供电，设计初级滤波电路、次级二阶滤波电路，进而降低了小信号放大电路中的噪声干扰，设计了两级放大电路和一级差分放大电路，将换能器采集到的单端小信号放大后进行差分输出，降低了输出信号的共模干扰，提高了信号的信噪比。

本申请的低噪声运算放大电路，实现了换能器输出小信号采集到增益放大后的差分输出，降低了输出信号的共模干扰，提高了信号的信噪比；本电路采用集成电路设计，具有低功率、小尺寸等优点，且由于初级运放U3A、次级运放U3B和差分运放U4采用了低噪声集成运放，能够有效减小放大电路自身的噪声干扰，提高了小信号的信噪比，而使得本实施方案尤其适用于水声换能器所应用的噪声要求低，功率小和空间小的场合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，其依然可以对前述各实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例中技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，包括初级运放、次级运放、差分运放、阻抗匹配电路、初级滤波电路、初级反馈电路、次级二阶滤波电路、次级反馈电路、差分反馈电路、供电电路；其中，

所述初级运放、次级运放和差分运放依次连接，用以将水声换能器输入的单端信号放大后转换为两路输出的差分放大信号；

所述阻抗匹配电路连接于水声换能器信号输出端和地之间，用于匹配水声换能器的阻抗；

所述初级滤波电路连接于水声换能器信号输出端和初级运放的正相输入端之间，形成低通滤波器，用于初步滤除放大信号中包含的高频干扰信号；

所述初级反馈电路连接于初级运放的输出端和反向输入端之间；

所述次级二阶滤波电路连接于初级运放输出端与次级运放正向输入端之间，形成二阶低通滤波器，用于滤除初级运放放大信号里包含的高频干扰信号；

所述次级反馈电路连接于次级运放的输出端和反向输入端之间；

所述差分反馈电路包括第一差分运放反馈环和第二差分运放反馈环，所述次级运放输出端经过第一差分运放反馈环与差分运放正相输入端连接，所述第二差分运放反馈环连接于差分运放反相输出端与正相输入端之间；

所述供电电路包括单电源电压幅值转换电路和电压极性反转电路，所述单电源电压幅值转换电路用于实现宽输入电压到基准电压转换，所述电压极性反转电路用于将正基准电压进行电压极性反转为负基准电压。

2.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述初级滤波电路包括电阻R4、电容C6；所述电阻R4的第一端与水声换能器的信号输出端相连，第二端分别于电容C6的第一端及初级运放正相输入端相连；所述电容C6的第二端与地相连。

3.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述次级二阶滤波电路包括电阻R8、电容C7、电阻R9、电容C8；所述电阻R8的第一端与初级运放输出端相连，第二端分别与电容C7、电阻R9的第一端相连；电阻R9的第二端分别与电容C8的第一端、次级运放正相输入端相连；电容C7、电容C8的第二端分别与地连接。

4.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述初级反馈电路包括电阻R6、R7；所述电阻R6连接于初级运放输出端与初级运放反相输入端之间，电阻R7连接于初级运放反相输入端与地之间。

5.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述次级运放反馈电路包括电阻R10和电阻R11；所述电阻R10连接于次级运放输出端与次级运放反相输入端之间，所述电阻R11连接于次级运放反相输入端与地之间。

6.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述第一差分运放反馈环包括电阻R13和电阻R12；所述电阻R13连接于差分运放反相输出端与差分运放正相输入端之间，所述电阻R12连接于次级运放输出端与差分运放正相输入端之间。

7.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述第二差分运放反馈环包括电阻R14和电阻R15；所述电阻R14连接于差分运放正相输出端与差分运放反相输入端之间，所述电阻R15连接于差分运放反相输入端与地之间。

8.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括电阻R5；电阻R5的第一端与换能器信号输出端连接，第二端与地连接。

9.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述单电源电压幅值转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、基准电压源TL431芯片和电容C1；所述电阻R1的第一端与供电电源正极相连，第二端分别与电阻R2的第一端、基准电压源TL431芯片K极引脚、电容C1的第一端连接后与+5V输出连接；电阻R2第二端分别与电阻R3的第一端、基准电压源TL431芯片REF引脚连接；电阻R3第二端分别与基准电压源TL431芯片A极引脚、电容C1第二端连接后与地连接。

10.根据权利要求1所述的一种水声换能器小信号采集低噪声放大电路，其特征在于，所述电压极性反转电路包括电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电源芯片ICL7660；所述电容C3的第一端分别与+5V输出、电源ICL7660芯片V+引脚连接，第二端与地连接；电容C2的第一端与电源ICL7660芯片CAP+引脚连接，第二端与电源ICL7660芯片CAP-引脚连接；电容C4、电容C5并联后第一端与地连接，第二端分别与电源ICL7660芯片Vout引脚、-5V输出连接。

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