Ultrasonic Receiver 電路設計

圖3.9 所示為 Receiver 系統方塊圖，各級電路方塊功能之設計將分項列述如 下：

圖3.9 Receiver 系統方塊圖

3.3.1 限幅電路

限幅電路(limiter circuit)是用來去除過高或過低的輸入電壓信號，使電路不 會因為太高或太低的輸入電壓，造成電路工作不正常。如圖3.10 是本系統所使 用之限幅電路，利用雙向二極體限幅，這也是一般電路設計中常用來保護電路的 方法，其工作原理大致如此，當輸入電壓大於0.7V 時，D1 導通 D2 截止，Vout 輸出0.7V，當輸入電壓小於-0.7V 時，D2 導通 D1 截止，Vout 輸出-0.7V，當輸 入電壓介於0.7V 和-0.7V 之間時，Vout 輸出等於 Vin，所以透過限幅電路我們可 以把輸入電壓限制在0.7V 到-0.7 之間，使電路不會因為輸入信號過大造成後端 電路放大飽和。

圖3.10 限幅電路圖

3.3.2 AGC自動增益控制

AGC 電路可以分為兩部分，可變增益放大器(variable gain amplifier，簡稱 VGA) 和控制電壓形成電路，圖 3.11 為 VGA 內部基本電路，基本的動作原理大 致如此，差動電壓由+VIN 和–VIN 輸入時會先通過由閉迴路電壓隨偶器組成的 緩衝級，閉迴路電路中包含一個Rg電阻，流經Rg的電流大小與輸入信號有關，

我們使用兩個相同電晶體Q1 及 Q2 來控制，透過後端的 Rf 電阻及輸出放大器讓 流經Q2 的電流轉換成最後輸出的電壓，當流經 Q2 的電流改變，增益也會隨著 改變，簡單來說，當Vg輸入0V 時，Q1 導通 Q2 不導通，這時沒有電流流過電 阻Rf，VGA 的增益就會強烈的衰減，當 Vg輸入2V 時，Q1 不導通而輸入信號 的電流通過Q2 到達 Rf使得VGA 提供最大的增益。

自動增益控制电路在本系統的功能是當输入信號電壓變化很大時，保持接收 端输出电壓恆定不變化。一般來說，當输入信號很微弱時，接收端會提供最大的 增益，AGC 电路不動作；當接收到的信號很大時，AGC 開始動作，使接收端的 增益隨著輸入信號的大小而改變。如此一來，當接收信號强度變化時，接收端的 输出电壓或功率保持恆定不變化。因此AGC 電必須做到在输入信號微弱時，AGC 電路不起作用，只有當输入信號增大到一定程度後，AGC 電路才開始作用，使

增益随著输入信號的增大而衰減。為了讓AGC 可以隨著輸入電壓大小作改變，

我們必须有一個可以隨著輸入信號強弱而變化的直流電壓大小輸入到VGA，利 用這個直流信號對放大器的增益進行控制。我們可以利用後端倍壓減波電路來提 供一個穩定的直流輸出，在檢波電路输出中除了信號外，還含有直流成分。直流 成分的大小與接受到電壓的大小成正比，因此，可以將倍壓減波後的输出，通過 一個低通濾波器(Low pass filter，簡稱 LPF)，濾出直流成分在經過減法放大器做 為AGC 的控制電壓。

圖3.11 LMH6502 VGA 電路圖

AGC 設計電路如圖 3.12 所示，LMH6502 利用 180Ω及 1kΩ使其最大增益為 20dB，再經過非反相放大器放大 84dB 使其最大增益提升為 80dB，控制電壓型 成電路由倍壓檢波、LPF 電路和減法放大器組成，Vg 利用 LPF 經過減法放大器 做回授控制。

圖3.12 AGC 電路方塊圖

3.3.3 放大電路

接收電壓經過AGC 電路後，接下一級為接收端的放大電路，本系統是利用

ADA4851 IC 來完成，圖 3.13 所示為設計的電路圖，並且兩級增益最高可達到 84dB。在 OPA 的使用上頻寬與增益的關係最為重要，一般來說， ft 必須比所

通過的頻率大10 倍以上，而本系統所選用的 ADA4851 ft 高達130MHz，在放 大倍率上有很大的使用空間，本系統之放大電路除了提供高增益的放大倍率之外，

同時也做為帶通濾波器使用，使系統在運用上除了考慮放大倍率，也可以帶來抑 制雜訊的效果。

圖3.13 放大電路圖

3.3.4 倍壓檢波電路

圖3.14 是半波倍壓檢波电路。輸入的信號 V5 下端先為正半週時 B 點為正、

A 点為負，此時 D1 導通、D2 不倒通。電流通過 D1 由右至左對電容器 C1 充電，

此時在C1 兩端會有一個電壓 V1，電壓極性左負右正。當輸入信號上端為正半 週時，A 點就變為正、B 點為負，此時 D2 導通、D1 不倒通，電流通過 D2 由上 往下對電容器C2 充電，因此 D2 二極體的 P 端如同是加了兩倍的順向電壓，導 通後向C2 充了 2 倍的電壓，這時輸出至負載的電壓就會得到兩倍。

圖3.14 倍壓檢波電路圖

3.3.5 低通濾波器

本系統所使用之低通濾波器，主要是由電阻配合儲能元件所構成，如圖3.15 所示，結構的特徵是由電阻輸入並由電容兩端輸出，低通濾波器的特性是當輸入 電壓一樣大時，輸出電壓會隨著頻率的增高而減少，頻率的選擇是由

f RC π 2

= 1 所

決定，低通濾波器在本系統主要的任務是濾出直流成分，所以頻率設定至16Hz

以下。

圖3.15 低通濾波器電路圖

3.3.6 Schmitt trigger

舒密特激發電路屬於一種正迴授電路，本文所使用的舒密特由運算放大器構 成如圖3.16 所示，假設一開始 Vout 輸出趨近於+Vcc，輸入的電壓由 0V 開始，

當輸入Vin 小於 VTH 時，輸出維持不變，當輸入 Vin 大於 VTH 時，輸出趨近於 -Vcc，輸入電壓 Vin 持續增加，輸出維持不變，輸入電壓 Vin 開始下降時，輸出 亦維持不變，直到輸入電壓Vin 小於 VTL 時，輸出才會改為趨近+Vcc 。

圖3.16 schmitt trigger 電路圖