电磁超声换能器的前置放大电路设计

摘要：针对电磁超声换能器接收线圈接收到的信号通常十分微弱的特点，设计了分别应用NJM4580和AD620的微小信号放大电路，并通过关国国家仪器公司的Multisim 10软件中波特图仪和示波器对两前置放大电路进行虚拟仿真，并对仿真结果进行比较，验证了应用AD620的放大电路在微小信号放大上不仅电路构成简单，而且在放大性能上更加优于应用NJM4580运算放大器构成的差分级联放大电路。
关键词：前置放大器；NJM4580；AD620；Multisim 10

0 引言
在无损检测中，EMAT因其独有的优点被广泛应用，但经EMAT接受线圈接受到的信号通常很微弱，信号幅值小，一般只有几十μV到几百μV，并且对周围环境噪声敏感度高，接收信号常被淹没在噪声中，辐射模式较宽，能量不集中。为了得到适合显示观察的水平，需要对信号进行放大和滤波处理，以减少噪声和干扰。为了避免EMAT的接收系统放大倍数过大引起信号失真和自激的现象，通常采用多级放大。主要包括前置放大器、滤波器、主放大器，以及用于在数字设备中的A／D转换电路等。为了得到更好的结果，前置放大器自然起着至关重要的作用。应用专业的EDA软件对其进行仿真分析，能够更迅速准确地分析电路性能，从而选出性能较好更适合需要的电路，本文设计了2种前置放大器，并且利用Multisim10仿真软件对这2种电路进行了仿真比较。

1 前置放大器
1．1 用NJM4580设计的放大器
在第一种电路设计中，选用NJM4580运算放大器，该放大器是日本新无线公司生产的双路运算放大器，具有无噪声、更高的增益带宽、高输入电流和低失真度，不仅适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器，还适用于手工测量工具等。
NJM4580的主要特点是：工作电压为±5～±18 V；低输入噪声电压为0．8μV；增益带宽为15 MHz；低失真为0．005％；转换速率为5V／μV；采用双极技术。应用NJM4580设计的放大器电路如图1所示。
本设计采用NJM4580，主要是在差分放大电路设计部分保持信号的带宽，使其不失真。采用3个运算放大器排成2级，由运放U1A，U2A按通向输入接法组成第1级差分放大电路，运放U3A组成第2级差分放大电路。在第1级电路中，信号源加到U1A的同相端，R6和R3，R4组成的反馈网络，引入了负反馈。
为了使电路对称，提高仪用放大器性能，选取的电阻应满足R3=R4关系，参数严格匹配，误差控制在很小范围内。经过计算，最终得到输出电压的关系如式(1)：

从式(2)中可直观看到，根据选取R5／R1和R3／R6电阻的比例关系，达到不同信号放大比例的要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计中最重要的环节之一。考虑到电路的稳定和安全，固定R1～R5，R7，R8的阻值，都选精确的10kΩ电阻，只将R6设置成可调，随着R6的减小，放大倍数越大，带宽越窄。所以设计时确定R6为2 kΩ。该放大电路是级联放大电路，为前级放大，而后级级联放大电路则由2个741级联构成，共同组成一个完整的信号接收端的前置放大电路。