一種高Q值單頻水聲信號放大提取電路的設計

李明勇，魏愛娟，蘭 江

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

0 引言

水聲信號的檢測與提取在水中目標探測與識別、水聲通信、遙測、海洋資源勘探等軍民領域有著廣泛應用。水聲信號的檢測與提取是水聲信號處理的非常關鍵一步，只有可靠、準確地檢測出水聲信號，后續的定向、定位、參數估計、目標識別、跟蹤和態勢估計等方可有效開展。然而水聲信號所處的環境復雜，背景噪聲源眾多，如何將這種水聲信號進行探測和提取成為研究熱點和難點[1，6]。吳光文等提出了一種基于小波變換的水聲信號濾波方法，提高了水聲信號的特征[2]；吳劍明等設計了一種兩級程控增益的水聲信號放大電路，有效避免了不同幅值信號造成信號飽和問題[3]；鄧秀華等對水聲信號的檢測與處理提出了分析與處理方法[4]；肖鵬斌等采用運放LM382搭建了一種水聲信號預處理電路，檢測精度良好，工作較為穩定，抗干擾能力強[5]。童峰、馬定坤等分別在水聲信息延估算法和接收機設計方面做了研究工作[7-8]。文中設計了一種JFET型超低噪聲前置放大電路，并提出了一種高Q值選頻電路，有效抑制了水聲信號中的背景噪聲并提高了信噪比。

1 JFET型超低噪聲放大電路

1.1 JFET型超低噪聲放大電路設計

在某型水下探測設備中需要發射和接收特定頻率的信號，通過檢測回波信號對目標進行探測和辨識，發射機發射的頻率80 Hz。由于在水中背景噪聲源多、海況復雜，接收機探測到的信號噪聲多、干擾大，如何對信號的放大、提升信噪比對前置放大器提出苛刻要求。另一方面，JFET具有輸入阻抗大、電壓噪聲低等優點，適合用于第一級放大電路。結合兩者的特點，設計了如圖1所示的JFET型超低噪聲放大電路。

圖中C1和R1構成高通濾波，濾除水聲信號中的直流偏置，第一級放大采用2只超低噪聲JFET管2SK170(≤0.9 nV/Hz1/2)并聯，通過并聯的方式能夠有效降低管子噪聲。理論上講，n只管子并聯可將管子等效噪聲降低為1/n1/2，但綜合考慮功耗、放大器尺寸、成本等因數，管子不宜選的過多。放大方式采用典型的共源級放大，R3為自偏置電阻，保證JFET管在工作時Ugs＜0；C2可保證交流通過，提高第一級電路增益；R2為連接漏極，此級電路放大倍數為

第2級放大電路采用低噪聲運算放大器OPA211，連接方式為同相放大。其中C3、R4組成高通濾波，濾除第一級放大電路的直流成分，截止頻率f＝1/(2πC3R4)≈0.1 Hz，R5、R6構成反饋網絡，此級放大電路增益滿足

過第一級和第二級放大，總體增益可達70 dB。

1.2 JFET型超低噪聲放大電路噪聲分析

圖2為JFET型超低噪聲放大電路噪聲示意圖，其中Uin為信號源，Rs為信號源阻抗，Cin為折算后的等效輸入電容，Rb為JFET的g極和s極之間的電阻。in1和in2為 JFET 的電流噪音，en1、en2、en3為JFET的電壓噪音，entotal為等效后的總噪聲。

下面對總噪聲entotal進行計算，in1為電流沖擊噪音，與JFET的g極和s極間的泄露電流IG有關，具體如下

式中：q為單位電荷；IG為泄露電流；B為帶寬。

in2為g極經電容(Cgd)從溝道電流耦合的電流大小，當Cgd較小且溝道電流也較小時可以忽略。因此，電流噪聲產生的電壓噪聲滿足

en1為JFET溝道熱噪聲，由載流子隨溫度變化引起；en2為gs極間電阻Rb的熱噪聲；en3為 JFET的1/f噪聲，可以通過JFET數據手冊直接獲?。籩n1、en2分別滿足

式中：ind為JFET溝道電流噪音；gfs為JFET跨導系數；k為波耳茲曼常數；T為絕對溫度；A為JFET類型參數，對于N溝道JFET，A≈0.67。至此，可以估算出JFET型超低噪聲放大電路噪聲如下

2 高Q值選頻電路設計

由于JFET型超低噪聲放大電路放大的信號含有多種頻率的噪聲，為了進一步提升檢測信號的靈敏度，需要設計帶通濾波電路。由于采用傳統的Sallen-Key型或MFP型結構設計80 Hz左右的帶通濾波電路效果并不理想，文中設計了一種高Q值選頻電路，其電路結構如圖3所示。

結合圖3，對高Q值選頻電路工作原理說明如下：令C＝C1＝C2＝C3/2，R＝R2＝R3＝ 2×R4，U1為信號輸入，Uo為信號輸出，節點電壓用Ua、Ub、U2、U3、U4表示，根據節點電壓法和運算“虛短”、“虛斷”特點，可列出以下方程

經過計算可得到高Q值選頻電路的傳遞函數滿足

參照圖3中的參數，取C＝100 nF，R＝9.95 k，R1＝R7＝R5＝1 k，R6＝ 100 k，s＝jω＝ j2πf，那么式(9)可簡化為

3 仿真與試驗結果

3.1 仿真

利用Multisim14根據圖1搭建仿真電路，并對電路的自噪聲進行分析，得到如圖4的結果。

通過仿真結果表明，設計的JFET型超低噪聲放大電路的自噪音在1 Hz處僅為2.4 nV/Hz0.5，在10 Hz處的噪音僅為1.7 nV/Hz0.5，能夠滿足水聲信號探測的要求。

再利用Multisim14根據圖3搭建高Q值得選頻仿真電路，得到如圖5的仿真結果。

通過圖5可以看出，設計的選頻電路具有優異的選頻性能，在中心頻率80 Hz處，信號增益約為6 dB，在遠離中心頻率處信號增益僅為-34 dB。將仿真數據導出后，可以得到-3 dB的頻率fL＝78.4 Hz和fH＝81.5 Hz，帶通濾波器帶寬僅為3.1 Hz，其Q值可達fc/(fH-fL)＝25.8。

3.2 試驗

為了進一步驗證仿真結果，設計了如圖6所示的電路，該電路包括信號放大、信號調理和信號采集功能，測試試驗中僅焊接放大和信號調理部分。

由于輸出噪音主要受運放的第一級影響，測出系統的總的輸出噪音后，即可反推出系統的輸入噪聲大小。在低頻段，JFET型放大電路噪聲以1/f噪音為主，因此可根據公式推導出其在1 Hz的噪音大小。具體測量方法如下：

1)將JFET放大電路的輸入端接地；

2)將輸出端連接增益為30 dB的0.1～10 Hz帶通濾波器；

3)將濾波后的信號接入示波器，觀察輸出信號的峰峰值，并轉換為有效值，轉換關系為Up-p≈6Urms；

4)計算輸入噪聲，由于總增益為70 dB+30 dB＝100 dB，即100 000倍，輸入噪聲為

5)推算出En后，即可估算在1 Hz處的輸入噪音功率密度譜大小。估算方式如下

圖7為示波器測量的輸出信號峰峰值，時間檔位1 s/格，電壓檔位 5 mV/格，信號峰峰值為4.8 mV，表1為多次測量結果。

表1 輸入短路情況測試結果Table 1 Test results under condition of input short circuit

4 結束語

文中采用“JFET+同相放大”電路結構作為水聲信號的前置放大級，在雙T濾波器特點基礎上優化設計出一種高Q值選頻電路；分析了前置放大電路輸入噪聲計算方法并推導出高Q值選頻電路工作原理。通過Multisim14仿真表明：設計的電路在1 Hz處的電壓噪聲密度僅為2.4 nV/Hz0.5，濾波器Q值可達25.6。實際電路的測試結果表明：1Hz處的電壓噪聲功率譜密度為2.84 nV/Hz0.5，與仿真結果接近，整體電路能夠滿足水聲信號的測量要求。