Page 119 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈谋等： 面向电容式微机械超声换能器器件的 32 通道收发电路设计与测试 441

式(2)中：f 0 为跨阻放大器截止频率，Hz。 对基于LTC6269-10芯片设计的跨阻放大电路，
除此之外，图 7 中 R 1 为补偿电阻，保证了运算 利用 Ltspice 软件进行交流仿真分析，各参数设置
放大器同相反相输入端的输入电阻相同，从而确保” 如下：C 1 = 10 µF，C 2 = 100 nF，C f = 3 pF，
虚地” 理论成立，防止产生失调电压 [11] ；C 2 为并联 R 1 = 10 kΩ，R f = 10 kΩ，R L = 2 kΩ，芯片采用
的旁路电容；R L 为示波器负载，跨阻放大倍数可 ±2.5 V双电源供电，仿真条件及结果如图8所示。
表示为 由图 8 可知，跨阻放大电路增益为 80 dB，带
宽为 5 MHz，根据公式 (2)∼(3) 以及增益计算公式
v o = −(R f ·i CMUT + V 1 ), (3)
A = 20 lg R f 计算可得，跨阻放大电路理论增益为
式 (3) 中：V 1 为反相输入端节点电压，V。由于 “虚 80 dB，带宽为 4.8 MHz，0.2 MHz 带宽误差在允许
地”理论的存在，V 1 ≈ 0，因此，v o ≈ −R f · i CMUT 。 范围内，验证了仿真与理论的一致性。

85
75
(4.8 MHz, 77 dB)
ܙᄞ/dB 65

55
45
35
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9
ᮠဋ/Hz
(a) ͌ᄾ౎͈ (b) ͌ᄾፇ౧
图 8 跨阻放大电路交流仿真结果
Fig. 8 AC simulation results of transimpedance amplifier

分别为10 V pp 、15 V pp 、20 V pp 、25 V pp 、30 V pp 。32
3 系统测试与结果分析
通道输出电压数据测试结果如表1所示。

3.1 电路板性能测试 用于测试的 CMUT 器件的最佳工作频率为
3 MHz；在同样测试条件下，输出波形最好的占空比
对 FPGA 控制下的脉冲电路进行性能及一致
参数为 53%。利用 FPGA 对脉冲电路的频率、占空
性测试，为MAX14808芯片提供 ±10 V的双极性电
压，1路脉冲信号测试如图9所示。 比进行参数预设，对 32 通道脉冲电路产生的频率、
由图 9 可知，脉冲电路的输出幅值为 20.3 V pp ， 占空比进行测试并记录，32 通道脉冲信号频率、占
空比数据测试结果如表2所示。
频率为 3.946 MHz，占空比为 53.09%，脉冲个数为 5
个，其中幅值、频率、占空比以及脉冲个数与 FPGA
以及外部直流电源的预设参数存在微小偏差，但误
差在CMUT器件驱动条件允许范围内，从而验证了
FPGA 控制下的脉冲电路具有良好的驱动 CMUT
器件的性能。
脉冲信号的幅值作为 CMUT 器件的激励条件
中影响最大的参数，利用外部直流电源设备，为脉
冲电路依次供电 ±5 V、±7.5 V、±10 V、±12.5 V、
±15 V，记录脉冲电路在不同的输入电压控制下的 图 9 高压脉冲测试图
双极性输出电压，5 个双极性脉冲输出电压理论值 Fig. 9 High-voltage pulse test chart