[發明專利]一種CMUT傳感器的頻率追蹤電路

在審

• 申請號: 202210919323.5
• 申請日: 2022-08-02
• 公開（公告）號: CN115365098A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 鄭舟;王亦庶;孫振東;紀御旗
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: B06B1/02
• 分類號: B06B1/02
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

本發明公開了一種CMUT傳感器的頻率追蹤電路，該頻率追蹤電路包括偏置網絡、阻抗匹配網絡、CMUT網絡、雙運算放大器網絡、高通濾波器網絡、緩沖器網絡以及分壓器網絡。頻率追蹤電路使用雙運算放大器提供足夠大的環路增益，解決基于BJT和MOSFET的CMUT頻率追蹤電路因環路增益低而難以起振和容易停振的問題，且大幅縮短了起振時間，通過阻抗匹配網絡提升了CMUT傳感器在串并聯諧振區域的阻抗相位，解決了CMUT在低直流偏置電壓下呈現容性而導致的難以諧振的問題，同時擴大了對CMUT的頻率追蹤范圍，高通濾波器網絡，除了用于過濾低頻雜散信號，還增加一個正相移，來補償運算放大器和分壓器的負相移，使環路總相移為零，以滿足巴克豪森準則中對相移的要求。

技術領域

本發明屬于微納傳感檢測技術領域，特別涉及一種CMUT傳感器的頻率追蹤電路。

背景技術

CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers，電容式微加工超聲換能器)是一種基于MEMS技術的新型諧振式傳感器，可將氣體分子的微小質量變化轉換為頻率偏移信號。因CMUT傳感器具有靈敏度高、功耗低以及易于陣列化和集成化等優點，近年來在微量氣體檢測領域得到高度重視。目前，CMUT氣敏傳感應用大多停留在實驗室測試階段，需要阻抗分析儀等貴重設備進行頻率信號的測量。為了滿足可穿戴等便攜式應用需求，提出一種能夠實時監測CMUT頻率信號的頻率追蹤電路至關重要。

振蕩電路是CMUT頻率追蹤電路的關鍵一環。振蕩電路在諧振點附近必須滿足巴克豪森振蕩條件，其設計存在諸多挑戰，例如，如何實現快速穩定的起振以及大范圍頻率追蹤等。CMUT傳感器僅在串并聯諧振區間呈現感性，因此，振蕩電路的設計頻率鎖定在CMUT的串并聯諧振區域是電路起振的必要條件。另外，CMUT通常需要在30V以上的直流偏置電壓下工作，若偏置電壓過低，會造成傳感器呈現容性或串并聯諧振區間過小，從而造成振蕩電路無法起振或容易停振。

由于CMUT在并聯諧振點比在串聯諧振點具有更高的品質因數，有利于提升傳感器的檢測精度。因此，目前CMUT傳感器的頻率追蹤電路大多由基于并聯諧振原理的考畢茲振蕩電路演化而來，較為普遍使用的是基于BJT(三極管)和MOSFET(場效應管)的考畢茲振蕩電路，這些電路具有結構簡單、成本低以及噪聲小等優點。

然而基于BJT和MOSFET的CMUT頻率追蹤電路，電路在起振前的環路增益較低，容易受電路的寄生效應或外界擾動影響，導致振蕩電路起振困難或突然停振，因而無法滿足對CMUT頻率的穩定監測。另外，CMUT需要工作于較高的直流偏置電壓(30V)下，使其在串并聯諧振區域呈現感性，才能滿足振蕩電路的設計條件，從而實現諧振頻率的追蹤，但高偏置電壓不僅不利于低功耗和便攜式等應用場景，而且存在傳感器被擊穿的風險。

發明內容

本發明的目的在于提出一種CMUT傳感器的頻率追蹤電路，以解決目前基于BJT和MOSFET的CMUT頻率環路增益低導致難以起振和容易停振的問題。

本發明為了實現上述目的，采用如下技術方案：

一種CMUT傳感器的頻率追蹤電路，包括偏置網絡、阻抗匹配網絡、CMUT網絡、運算放大器網絡、高通濾波器網絡、緩沖器網絡以及分壓器網絡；

其中，運算放大器網絡有兩個，分別為第一運算放大器網絡和第二運算放大器網絡，第一運算放大器網絡和第二運算放大器網絡均采用同相比例放大器；

偏置網絡的一端與阻抗匹配網絡的一端相連，另一端與第一運算放大器網絡的正相輸入端相連；阻抗匹配網絡的另一端與CMUT網絡相連，CMUT網絡另一端接地；

第一運算放大器網的絡輸出端與高通濾波器網絡的輸入端相連，高通濾波器網絡的輸出端與第二運算放大器網絡的正相輸入端相連，第二運算放大器網絡輸出端與緩沖器網絡相連；

第二運算放大器網絡的輸出端通過分壓器網絡與第一運算放大器網絡正相輸入端相連。