微机械惯性传感器检测平台的设计与应用
2.2 单位增益放大器电路
AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50 (5g的微机械加速度计)采用了单位增益放大电路。
图3是单位增益放大器的等效电路。图3中,Cp为分布电容,Cgs为前置级输入电容,Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时,前置级输入电阻可忽略不计。由图3可得,前置级有用信号输出为:
(Vs-Vout)jω(C0+ΔC)+(-Vs-Vout)jω(C0-ΔC)
分布电容Cp约为10pF,输入电容Cgs约为1～10pF,一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出,它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度,就必须消除Cp、Cgs的影响,通常采用的措施是等电位屏蔽。
2.3 电荷放大器电路
电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容,Cf为标准反馈电容,Rf用来为放大器提供直流通道,保持电路正常工作。应选取Rf,使时间常数RfCf远大于载波周期,以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络,替代大阻值电阻。
若运算放大器具有足够的开环增益,反相输入端为很好的虚地,那么,两输入端点之间的电位差为零。因此,反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说,结构要简单,不需考虑等电位屏蔽问题;只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容,即进行合理的对地屏蔽,就能获得较好的效果。
尽管在电荷放大电路中,可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容,但是在检测微小电容变化时,输出还是有很大的衰减。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/(2πRfCf)和小于放大器的截止频率时,输出电压Vout应该表示为:
该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后,传感器的动片即处于振动状态,上下极板间的电容发生周期变化,采用电荷放大器电路将该信号提取出来,经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中,观察传感器的输出响应,为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。
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