高小花，馮西安

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

隨著科學技術的發(fā)展，人們對水下導航、海洋監(jiān)測、水下目標定位以及水下通信等領域的興趣更加濃厚，對聲納接收機的性能也有了較高的要求，聲納接收機性能的優(yōu)劣直接影響到聲納系統的工作性能。一款簡單的接收機就是一個信號調理系統，包含信號的放大級電路、可調增益、濾波等電路單元，將待測信號轉換為采集設備能夠識別的信號，一個高精度的信號調理機對水下研究具有重要的意義。

本文提出一個低噪聲多級放大信號調理機，針對進程目標回波的特點，采用多級放大信號調理，但由于底噪聲的污染，對濾波器設計就有更高的要求。為了解決上述問題，本文設計一款低噪聲四階LC無源BPF，實現對多級放大信號濾波。通過對不同濾波器電路噪聲進行分析和比較，得出LC無源BPF具有較好的幅頻響應和更低的噪聲，更好地改善了接收機的性能。

1 低噪聲多級放大信號調理電路

水下信號接收調理電路的基本流程為[1]：聲信號轉換為電信號，進行放大、濾波、A/D轉換為數字信號進行處理。圖1為本系統中信號調理系統的框圖。

圖1 信號調理系統框圖

對弱信號進行檢測時，前置放大器是非常重要的，選擇合適的參數，以減少放大器自身引入的噪聲。本系統采用三級放大形式[2]，信號通過變壓器耦合輸入降低噪聲輸入，經過一級放大，采用低噪聲集成運放AD620，增益為40 dB，用于放大前端接收到的微弱信號；AGC部分采用VCA810[3]可以使得線性可控增益范圍擴大到-40 dB～+40 dB，用于調節(jié)通道放大倍數，壓縮信號動態(tài)范圍，穩(wěn)定輸出信號幅度[2]；TVG時變增益控制用于控制混響，在近距離探測時保證系統輸出穩(wěn)定；三級放大采用低噪聲集成運放OPA211[3]，增益為40 dB，用于進一步提高系統整體增益，三級級聯放大保證了系統總體增益高達120 dB，并可在40 dB～120 dB范圍內自動調節(jié)，可以接收小到微伏級的水下弱信號。多級放大電路如圖2所示。

圖2 三級放大電路圖

2 帶通濾波器設計

雖然在本系統中采用的是高精度、低噪聲集成運放設計的多級放大電路，但仍然不可避免地引入了放大器自身的噪聲，對于水下微弱信號的接收，這些噪聲對信號的影響也是不能忽視的。本系統設計了一個中心頻率100 kHz，帶寬 40 kHz，阻抗 500 Ω 的無源 LC巴特沃斯帶通濾波器。整個設計過程大致可分為兩個階段[4]，前一個階段是依據歸一化LPF設計出通帶寬度等于待設計BPF帶寬的LPF，后一階段是把這個通帶寬度等于待設計BPF寬帶的LPF變換成BPF。

2.1 基于Filter-Solutions設計的BPF

Filter-solutions帶通濾波器也是按照如上所表述的原理設計的?；贔ilter-Solution軟件設計的歸一化一款中心頻率100 kHz，帶寬 40 kHz，阻抗為 500 Ω的巴特沃斯四階帶通濾波器。如圖3、圖4所示，分別為無源濾波器和有源濾波器的電路圖，它們具有相同的頻率、相位及群延遲特性。

圖3 巴特沃斯型無源BPF

圖4 巴特沃斯型有源BPF

從濾波器的電路圖可以看出，與有源濾波器相比較，無源濾波器除本身系統穩(wěn)定性好，適合高頻濾等優(yōu)點外，其電路結構也比較簡單，且理論自噪聲為0。對于水下高頻弱信號的接收，是一種比較好的濾波方法。

2.2 LC無源濾波器的制作

根據濾波器的設計步驟，由歸一化LPF設計出了與帶通濾波器等效的LPF，然后將其轉換為待設計的BPF。轉換原則為：（1）將低通的每個電容并聯一個電感，使得諧振頻率為中心頻率f0。（2）將低通的每個電感串聯一個電容，使得諧振頻率為f0。而電感與電容的匹配也成為了制作LC濾波器的難點?？偠灾?，在制作過程中，LC濾波器的制作主要有兩個步驟：

（1）電容的選擇。由于沒有所需要的電容值，因而使用Agilent阻抗分析儀在頻率為100 kHz的條件下測得實際電容值的大小進行選擇，通過電容的并聯盡量達到電路中電容的要求。

（2）電感線圈的制作。制作外徑為6 mm，內徑為3 mm，高為3 mm且磁通量μ值為4 000，磁芯為3.671 mH與 1.583 mH的電感；外徑為7 mm，內徑為 4 mm，高為3 mm 且 μ 值為 2 000，磁芯為 180.1 μH 與 408.1 μH 的電感。使用Agilent阻抗分析儀在頻率為100 kHz的條件下測出電感線圈實際的大小及阻抗值。根據計算和實際電路的調試，適當改變電感值，使其與電容值相匹配，確保電感與串聯或并聯的電容諧振頻率為f0。

3 濾波器的噪聲分析

在電路中最多考慮的是電路中等效電阻產生的熱噪聲。電壓噪聲的噪聲密度為，

其中，k是波爾茲曼常數，T是電阻溫度，以絕對溫度K計量。在頻帶寬度為BW內產生的熱噪聲的電壓均方值為

3.1 LC濾波器電路的噪聲

理想的電抗元件不會產生噪聲，因此在理想情況下LC濾波器的噪聲為零，對濾波器來說這無疑是最好的。但實際電抗元件是有損耗電阻的，這些損耗電阻將會產生噪聲。在實際情況下，電感的損耗電阻是不能忽略的，而電容的損耗電阻一般可以忽略不計[5]。

采用Y參數分析系統函數如圖5所示，Yi參數的表達式如下：

圖5 LC濾波器噪聲電路的Y參數圖(Y0為噪聲元件)

圖5中導納Y0產生的噪聲電壓為U0i，假定其他元件均為無噪聲元件，計算輸出電壓噪聲E0的電路圖E0=U0iG0（s）。 根據 KCL 和 KVL，可以得到其傳遞函數 G0（s）為：

同理可以假定其他元件為無噪聲元件，如圖6所示，得Y1、Y2產生噪聲電壓 U1i、U2i，輸出的噪聲電壓分別為 E1、E2。 其傳遞函數 G1（s）、G2（s）為：

而Y3、Y4的輸出傳遞函數由電路圖可知均為1：

圖6 LC濾波器噪聲電路的Y參數圖(Y1、Y2為噪聲元件)

由于電抗元件的損耗電阻與頻率、線圈線徑、線圈層數等多種因素有關，因此目前還沒有有效的線圈電感阻抗計算公式。最簡便的方法就是利用阻抗分析儀測得所制作電感線圈的損耗電阻，并計算其噪聲電壓。表1所示為實際損耗電阻，每種電感線圈分別制作了8個用以求出平均值。在溫度為27℃（約300 K）、帶寬40 kHz計算電阻產生的噪聲電壓也即熱噪聲的均方值電壓。通過噪聲的計算公式（2），可以得到噪聲的電壓均方值。使用Agilent阻抗分析儀在100 kHz下測得線圈的損耗電阻值如表1所示。

表1 電感損耗阻值 （Ω）

通過計算得到|G0（s）|<<1，因此輸入電阻的噪聲很小，可以忽略。｜G1（s）｜=｜G2（s）｜<1/2，｜G1（s）｜=｜G2（s）｜=1。因此計算的最大輸出噪聲電壓均方根值為：

3.2 有源濾波器電路噪聲分析

在一般的放大器電路中存在 5種噪聲源[6]：散粒噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲、爆裂噪聲和雪崩噪聲。對于運算放大器內部的噪聲是通過內部等效來描述[6]：運算放大器內部可視為一個理想的無噪聲運算放大器的同相輸入端串聯一個噪聲電壓源en，同相、反相輸入端到地分別串聯一個噪聲電流源inp、inn來表征內部噪聲。把噪聲模型添加到濾波器電路中，分析電路產生的噪聲，e1、e2、e3分別為電阻R1、R2、R3產生的噪聲電壓，如圖7所示。

圖7 運算放大電路噪聲模型

E1、E2、E3、En、Enp、Enn分 別 是 R1、R2、R3、en、inp與 inn產生的噪聲電壓。所以放大器內部噪聲電壓的均方根值為：

將運放的噪聲模型添加到實際帶通濾波器中，并且在實際電路中采用高速、低功耗運算放大器AD849[7]，該芯片具有良好高頻性能，其噪聲參數為電壓噪聲3 nV/rtHz，電流噪聲 1.5 pA/rtHz，結合實際電路計算出有源濾波器的噪聲。經過計算可以得到噪聲電壓均方根值約為1.31×10-5V。芯片工作時由于溫度的升高，噪聲電壓值將會增大。

隨著科學技術的提高，現代電子技術的日益成熟，集成電路得到了迅猛發(fā)展，所以現在已經有了帶通濾波器集成芯片的產生?，F代濾波器的芯片類型主要是由MAXIM 公司推出的 MAX260、MAX267、MAX274等?？梢愿鶕蔀V波芯片設計帶通濾波器，但是它所設計的也是一種有源濾波器，與有源濾波器具有相似的噪聲分析，因此在這里不做進一步討論。通過兩種濾波器的比較可以得出，無源LC濾波器除了本身系統穩(wěn)定外，而且電路簡單易于設計，底噪聲較小，可以提高整個電路的性能，從而更好地完成中高頻濾波。

水下信號接收是對海洋技術研究的重要基礎。而噪聲是信號接收機的重要參數，特別是對設計一款精密的信號調理機來說，信噪比決定了靈敏度，噪聲越小，信號接收機的靈敏度越高。本文闡述了一個具有低噪聲多級放大電路的信號調理機，并研究了一款具有低噪聲的LC無源帶通濾波器?；趯υ肼暤姆治?，給出了系統的測試結果，本系統性能穩(wěn)定，可靠性高且可控動態(tài)范圍在40 dB～120 dB之間。對于研究自噪聲小，動態(tài)范圍大且精度高的水下接收機具有重要的意義。

[1]張金利，景占榮，梁亮，等.微弱信號的調理電路設計和噪聲分析[J].電子測量技術，2007，30（11）：40-42.

[2]代明清，馮西安，高天德，等.多通道聲納信號預處理系統設計[J].魚雷技術，2012，20（3）：175-179.

[3]趙志剛，馮西安.一種水下主動探測系統的模擬預處理機設計[J].電聲基礎，2009，33（4）：45-48.

[4]森榮二.LC濾波器設計與制作[M].薛培鼎，譯.北京：科學出版社，2005.

[5]李明勇，陳敏，翟建勇，等.高頻電感線圈損耗的分析和計算[J].電子電力技術，2007，41（9）：47-49.

[6]何崢嶸.運算放大器電路噪聲分析和設計[J].微電子學，2006，36（2）：148-153.

[7]張樂鋒，張鼎.運算放大器應用技術手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.