一种CMUT传感器的频率追踪电路制造技术

本发明专利技术公开了一种CMUT传感器的频率追踪电路，该频率追踪电路包括偏置网络、阻抗匹配网络、CMUT网络、双运算放大器网络、高通滤波器网络、缓冲器网络以及分压器网络。频率追踪电路使用双运算放大器提供足够大的环路增益，解决基于BJT和MOSFET的CMUT频率追踪电路因环路增益低而难以起振和容易停振的问题，且大幅缩短了起振时间，通过阻抗匹配网络提升了CMUT传感器在串并联谐振区域的阻抗相位，解决了CMUT在低直流偏置电压下呈现容性而导致的难以谐振的问题，同时扩大了对CMUT的频率追踪范围，高通滤波器网络，除了用于过滤低频杂散信号，还增加一个正相移，来补偿运算放大器和分压器的负相移，使环路总相移为零，以满足巴克豪森准则中对相移的要求。准则中对相移的要求。准则中对相移的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种CMUT传感器的频率追踪电路


[0001]本专利技术属于微纳传感检测
，特别涉及一种CMUT传感器的频率追踪电路。

技术介绍

[0002]CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers，电容式微加工超声换能器)是一种基于MEMS技术的新型谐振式传感器，可将气体分子的微小质量变化转换为频率偏移信号。因CMUT传感器具有灵敏度高、功耗低以及易于阵列化和集成化等优点，近年来在微量气体检测领域得到高度重视。目前，CMUT气敏传感应用大多停留在实验室测试阶段，需要阻抗分析仪等贵重设备进行频率信号的测量。为了满足可穿戴等便携式应用需求，提出一种能够实时监测CMUT频率信号的频率追踪电路至关重要。
[0003]振荡电路是CMUT频率追踪电路的关键一环。振荡电路在谐振点附近必须满足巴克豪森振荡条件，其设计存在诸多挑战，例如，如何实现快速稳定的起振以及大范围频率追踪等。CMUT传感器仅在串并联谐振区间呈现感性，因此，振荡电路的设计频率锁定在CMUT的串并联谐振区域是电路起振的必要条件。另外，CMUT通常需要在30V以上的直流偏置电压下工作，若偏置电压过低，会造成传感器呈现容性或串并联谐振区间过小，从而造成振荡电路无法起振或容易停振。
[0004]由于CMUT在并联谐振点比在串联谐振点具有更高的品质因数，有利于提升传感器的检测精度。因此，目前CMUT传感器的频率追踪电路大多由基于并联谐振原理的考毕兹振荡电路演化而来，较为普遍使用的是基于BJT(三极管)和MOSFET(场效应管)的考毕兹振荡电路，这些电路具有结构简单、成本低以及噪声小等优点。
[0005]然而基于BJT和MOSFET的CMUT频率追踪电路，电路在起振前的环路增益较低，容易受电路的寄生效应或外界扰动影响，导致振荡电路起振困难或突然停振，因而无法满足对CMUT频率的稳定监测。另外，CMUT需要工作于较高的直流偏置电压(>30V)下，使其在串并联谐振区域呈现感性，才能满足振荡电路的设计条件，从而实现谐振频率的追踪，但高偏置电压不仅不利于低功耗和便携式等应用场景，而且存在传感器被击穿的风险。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种CMUT传感器的频率追踪电路，以解决目前基于BJT和MOSFET的CMUT频率环路增益低导致难以起振和容易停振的问题。
[0007]本专利技术为了实现上述目的，采用如下技术方案：
[0008]一种CMUT传感器的频率追踪电路，包括偏置网络、阻抗匹配网络、CMUT网络、运算放大器网络、高通滤波器网络、缓冲器网络以及分压器网络；
[0009]其中，运算放大器网络有两个，分别为第一运算放大器网络和第二运算放大器网络，第一运算放大器网络和第二运算放大器网络均采用同相比例放大器；
[0010]偏置网络的一端与阻抗匹配网络的一端相连，另一端与第一运算放大器网络的正相输入端相连；阻抗匹配网络的另一端与CMUT网络相连，CMUT网络另一端接地；
[0011]第一运算放大器网的络输出端与高通滤波器网络的输入端相连，高通滤波器网络的输出端与第二运算放大器网络的正相输入端相连，第二运算放大器网络输出端与缓冲器网络相连；
[0012]第二运算放大器网络的输出端通过分压器网络与第一运算放大器网络正相输入端相连。
[0013]优选地，第一运算放大器网络由第一运算放大器、第一平衡电阻、第一反馈电阻以及分压电阻组成；其中，第一运算放大器网络中各器件连接关系如下：
[0014]分压电阻的一端接地，另一端与偏置网络和第一运算放大器的正相输入端连接；
[0015]第一运算放大器的负相输入端与第一平衡电阻和第一反馈电阻的一端相连，第一平衡电阻的另一端接地，第一反馈电阻的另一端与第一运算放大器的输出端相连；
[0016]第二运算放大器网络由第二运算放大器、第二平衡电阻以及第二反馈电阻组成；其中，其中，第二运算放大器网络中各器件连接关系如下：
[0017]第二运算放大器的负相输入端与第二平衡电阻和第二反馈电阻的一端相连，第二平衡电阻的另一端接地，第二反馈电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连。
[0018]优选地，第一运算放大器的增益为5.02，第二运算放大器的增益为4。
[0019]优选地，第一运算放大器、第二运算放大器分别采用OPA637、AD8045运算放大器。
[0020]优选地，阻抗匹配网络由调谐电感和调谐电容组成；
[0021]调谐电感的一端与CMUT网络连接，另一端与偏置网络和调谐电容连接；调谐电容的一端与偏置网络和调谐电感连接，调谐电容的另一端接地。
[0022]优选地，偏置网络由直流偏置电压、偏置电阻和隔直电容组成；
[0023]其中，直流偏置电压为CMUT的工作电压；
[0024]直流偏置电压与偏置电阻串联，直流偏置电压的另一端接地；偏置电阻的一端与直流偏置电压连接，偏置电阻的另一端与隔直电容和阻抗匹配网络连接；
[0025]隔直电容的一端与偏置电阻相连，另一端与第一运算放大器网络的正相输入端相连。
[0026]优选地，高通滤波器网络由滤波器网络电容和滤波器网络电阻组成；
[0027]滤波器网络电容的一端与第一运算放大器网络输出端相连，另一端与滤波器网络电阻的一端和第二运算放大器网络的正相输入端相连；滤波器网络电阻的另一端接地。
[0028]优选地，缓冲器网络由一个具有固定输出阻抗的缓冲器构成。
[0029]优选地，缓冲器选用MAX4201缓冲器，其输出阻抗为50Ω，带宽为780MHz。
[0030]优选地，分压器网络由分压器网络电阻和分压器网络电容组成；
[0031]分压器网络电容的一端与第二运算放大器网络的输出端相连，另一端与分压器网络电阻相连；分压器网络电阻的另一端与第一运算放大器网络的正相输入端相连。
[0032]本专利技术具有如下优点：
[0033]如上所述，本专利技术提出了一种带有阻抗匹配网络的基于双运放的CMUT传感器的频率追踪电路。其中，振荡电路主要由两个运算放大器和高通滤波器组成，两个运算放大器协同工作以提供足够大的环路增益，使振荡电路能够稳定的谐振，且起振时间达到微秒级；阻抗匹配网络则用于提升CMUT在串并联谐振区域的阻抗相位，使CMUT传感器在低偏置电压下呈现感性，能够满足振荡电路的设计条件，利于实现集成化和便携式的CMUT频率追踪系统。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例中CMUT传感器的频率追踪电路的电路结构图。
[0035]图2为CMUT传感器的巴特沃斯范戴克(BvD)等效电路模型。
[0036]图3为CMUT网络在阻抗匹配前后的电抗和阻抗相位特征曲线图。
[0037]图4为本专利技术实施例中CMUT传感器的频率追踪电路的瞬态时域电压输出信号图。
[0038]其中，1
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偏置网络，2<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CMUT传感器的频率追踪电路，其特征在于，包括偏置网络、阻抗匹配网络、CMUT网络、运算放大器网络、高通滤波器网络、缓冲器网络以及分压器网络；其中，运算放大器网络有两个，分别为第一运算放大器网络和第二运算放大器网络，第一运算放大器网络和第二运算放大器网络均采用同相比例放大器；偏置网络的一端与阻抗匹配网络的一端相连，另一端与第一运算放大器网络的正相输入端相连；阻抗匹配网络的另一端与CMUT网络相连，CMUT网络另一端接地；第一运算放大器网的络输出端与高通滤波器网络的输入端相连，高通滤波器网络的输出端与第二运算放大器网络的正相输入端相连，第二运算放大器网络输出端与缓冲器网络相连；第二运算放大器网络的输出端通过分压器网络与第一运算放大器网络正相输入端相连。2.根据权利要求1所述的CMUT传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述第一运算放大器网络由第一运算放大器、第一平衡电阻、第一反馈电阻以及分压电阻组成；其中，第一运算放大器网络中各器件连接关系如下：分压电阻的一端接地，另一端与偏置网络和第一运算放大器的正相输入端连接；第一运算放大器的负相输入端与第一平衡电阻和第一反馈电阻的一端相连，第一平衡电阻的另一端接地，第一反馈电阻的另一端与第一运算放大器的输出端相连；第二运算放大器网络由第二运算放大器、第二平衡电阻以及第二反馈电阻组成；其中，其中，第二运算放大器网络中各器件连接关系如下：第二运算放大器的负相输入端与第二平衡电阻和第二反馈电阻的一端相连，第二平衡电阻的另一端接地，第二反馈电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连。3.根据权利要求2所述的CMUT传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述第一运算放大器的增益为5.02，第二运算放大器的增益为4。4.根据权利要求2或3所述的CMUT传感器的频率追踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑舟，王亦庶，孙振东，纪御旗，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：