摘要：为了提高超声波回波信号的检测精度，确保超声波回波中的有用信号能尽可能完全被吸收，对超声波信号调理电路进行了研究。限幅电路通过改变电压通过对比限幅、前置放大、滤波和可变增益放大电路以选择最佳方案。所选择的方案能摆脱原有的调理电路直接截去幅值过高信号而使部分回波信号丧失的方案，通过电压变换将低压部分全部保存的方法，能有效获取较多的回波信息。
关键词：CMUT；超声波信号检测；放大电路
引言
近年来，基于MEMS工艺的微电容超声换能器(CMUT)因具有宽带宽、高一致性、高灵敏度、易与电路集成等特点，得到广泛关注与应用。但是，CMUT的电流信号微弱，检测较困难。目前，国内关于CMUT微弱电流信号检测均采用分立器件搭建跨阻电路，无法实现CMUT与前端接收电路的芯片级集成互连应用，引入了更大的噪声，CMUT检测信号的信噪比降低。CMUT本身的电容和接收电路输入端引入的寄生电容会严重限制跨阻检测电路的带宽，降低信号检测灵敏度。为此，本文设计了一种前端跨阻放大器(TIA)，采用调节型共源共栅(ＲGC)结构作为电流输入级，其低输入阻抗和宽频带特性能够有效隔离输入端寄生电容的影响。设计了两级反相放大器作为放大级电路，以实现高增益。该TIA为CMUT与前端接收电路在芯片级集成提供一种可行的电路结构。这既实现了传感器的集成化、微型化，也实现了传感器的实用化。
1信号检测及放大电路设计
对于电容式传感器，电荷放大电路可将传感器感应到的微弱电荷信号转换为与其成正比的电压信号输出，同时又能将传感器的高输出阻抗变为低输出阻抗，因此，适合用作CMUT换能器前端信号检测及放大。
2超声波换能器线阵的设计
2.1塌陷电压和工作电压
根据CMUT的工作原理就可以知道，在上下电极加一直流电压，振动薄膜就会出现一定的形变，对于薄膜来说，它自身恢复力的主要作用就是对这种形变进行抵制。在施加电压的不断增大中，振动薄膜的形变也变得越来越大，薄膜自身的恢复能力也在变强，当薄膜的位移在空腔高度的三分之一的时候，薄膜所受的静电力会与自身恢复力形成平衡状态，如果对电压进行继续的加大，就会造成一定的塌陷，这个电压临界值就是塌陷电压。在进行实际工作的时候，为了避免出现薄膜碳纤，施加的直流偏置电压一会小于塌陷电压，但是为了得到更好的机电转比和带宽，所施加的电压会尽可能接近塌陷电压，然后选取合适的塌陷电压作为工作电压。
2.2 CMUT一维线阵的设计
想要得到较为理想的超声图形，对产生伪像的可能性进行抑制，最根本的方法就是要对阵列的设计进行优化，进而使其具有良好的声学特性，如果阵列的参数出现了不合理的现象，就会导致其中的声场分布出现问题。栅瓣是产生伪像的主要原因之一，而旁瓣会对系统的对比度和分辨率造成影响，也有可能造成一定的伪像。系统的横向分辨率主要是由主瓣的宽度来进行决定的，因此想要对系统的横向分辨率进行提高的最有效方法就是减小阵列的主瓣宽度。
3信号检测及放大电路设计
3.1电荷放大电路工作原理分析
在实际应用中，考虑到CMUT自身电阻、连接线缆电容等参数后的电荷放大，如图
其中，Q为CMUT自身产生的电荷量;Ca为CMUT板间电容，Cc为连接线缆电容，Ｒi为放大器的输入电阻，Ci为放大器的输入电容，Cf为反馈电容，Ｒf为积分漂移泄漏电阻，A为放大器开环放大倍数。
理论分析得
由式(1)可知，电荷放大电路输出电压与传感器产生的电荷量成正比，即可通过改变反馈电容的取值满足信号放大的要求。电荷放大电路的反馈环路呈现一定的高通特性，传感器输出信号频率需要大于低频截止频率fL，低频截止频率fL为
3.2基于CMUT的电荷放大电路设计CMUT
为电容式传感器，处于接收状态时，可将超声波信号转化为电容值的变化;CMUT两端电压不变，由电容内电荷变化量为电容与两端电压的乘积可知，通过检测电荷变化量即可实现对超声波信号的检测。因此，电荷放大原理可作为超声波信号的检测及放大原理。运算放大器作为电荷放大电路的核心部件，其选型对于整体电路设计至关重要。为了与超声波换能器进行阻抗匹配，要求使用高输入阻抗的运算放大器;为了能对3MHz的超声波信号进行有效放大，需要使用高增益带宽积的运算放大器，以满足带宽和增益的需求;为了减少噪声对电路的影响，需要选用低输入偏置电流、低失调电压的运算放大器。最后，选用LTC6268型运放。该运放可提供大于1000GΩ的高输入阻抗和250V/mV的开环电压增益(即A=2．5×105)，使得输出电荷泄漏和滞留降到最低;该运放的增益带宽积为500MHz，对于3MHz的信号可以实现转换并放大;而且该运放输入偏置电流低至0．9pA，输入失调电压不超过4．5mV，对信号干扰极小，非常适合微型电容式超声换能器所产生的微弱电荷信号的放大;设计的电荷放大电路如图
由于CMUT工作时需要提供直流偏置，所以电荷放大电路采用交流耦合放大。隔直电容C1阻断了放大电路中的直流电流，使得正输入端的2．5V可以顺利传递到运放的输出端，并且，它耦合通过了频率为3MHz的交变信号，完成了信号的放大。通过测试和查阅数据手册，可得Ca+Cc+Ci约为1．2nF，有(1+A)Cf=2．5μF＞＞1．2nF;又1/Ｒi=1/1000G≈0;(1+A)/Ｒf=(2．5×105)/10M≈0;因此，式(1)可以简写为
从式(3)中可看出电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量Q成正比，与连接线缆电容Cc无关;与信号的频率也没有关系;由于为电容负反馈，所以符号表示输出与输入相位相差180°。
4超声波检测技术的发展
超声波检测技术是国内外使用频率高，应用广、效率高、发展快的一种无损检测技术。随着电子科技和计算机技术的快速发展，已有人工智能、机器人、自适应、信息融合、激光和CAD/CAM等技术与超声波检测有机结合形成了复杂的超声扫描成像检测。科研人员需加大对频谱和数据网络进行研究分析，从而开发设计高精度、更稳定的超声信号检测系统。在食品品质检测中，成分的多样性对超声检测技术的应用提出了挑战，混合后的媒质声速并与组分浓度及其相互作用都有密切关系，很难定位到具体成分的分析，还需不断完善和探索食品物理化学特性与声特性间的关系，更准确建立信号处理和数据分析关系。目前我国的超声检测技术人员虽然超过30万人，包括在岗的第一线人员、超声检测工程技术人员、超声检测管理人员、超声检测设备制造人员、与超声检测应用相关的研发人员等。但就中国超声检测市场的规模来看，每年超声检测仪器设备的耗材与维修、检测技术人员等级培训和考核都需要大量专业人员，超声检测市场存在着巨大的潜力，亟需培养超声检测的专业人员和操作人员。
结语
通过研究CMUT的工作原理以及电荷放大电路的基本原理，设计了适用于CMUT的信号检测及放大电路，通过电路仿真和调试实验，对该电路的工作原理进行了相应验证。通过调试结果可得:该电路可以将CMUT所产生的电荷信号转换为电压信号，并且信号可以得到有效放大。该信号调理电路设计思路清晰，外围电路简单，成本低廉，易于集成化，同时为今后多阵元电容式传感器的信号调理电路设计提供了有效的设计方案。
参考文献
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