微機械慣性傳感器檢測平臺的設計與應用
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2.2 單位增益放大器電路
AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50 (5g的微機械加速度計)采用了單位增益放大電路。
圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中,Cp為分布電容,Cgs為前置級輸入電容,Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內時,前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可得,前置級有用信號輸出為:
(Vs-Vout)jω(C0+ΔC)+(-Vs-Vout)jω(C0-ΔC)
分布電容Cp約為10pF,輸入電容Cgs約為1～10pF,一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。可以看出,它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度,就必須消除Cp、Cgs的影響,通常采用的措施是等電位屏蔽。
2.3 電荷放大器電路
電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容,Cf為標準反饋電容,Rf用來為放大器提供直流通道,保持電路正常工作。應選取Rf,使時間常數RfCf遠大于載波周期,以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網絡,替代大阻值電阻。
若運算放大器具有足夠的開環(huán)增益,反相輸入端為很好的虛地,那么,兩輸入端點之間的電位差為零。因此,反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說,結構要簡單,不需考慮等電位屏蔽問題;只需將雜散電容的影響轉化為對地的分布電容,即進行合理的對地屏蔽,就能獲得較好的效果。
盡管在電荷放大電路中,可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容,但是在檢測微小電容變化時,輸出還是有很大的衰減。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/(2πRfCf)和小于放大器的截止頻率時,輸出電壓Vout應該表示為:
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當的激勵信號后,傳感器的動片即處于振動狀態(tài),上下極板間的電容發(fā)生周期變化,采用電荷放大器電路將該信號提取出來,經交流放大、解調后通過A/D轉換變成數字量采集到微機中,觀察傳感器的輸出響應,為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎。
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