高性能電容傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)時(shí)，由于運(yùn)算放大器輸入端阻抗很高。電阻R2上的電壓降近似等于零，R2可以近似等效為短路。同時(shí)由于放大器兩輸入端虛短的特性，流過(guò)電阻R1的電流等于零。因此，R1可以等效為去掉。此時(shí)放大器為單位增益同相放大器。

　　脈沖信號(hào)的形成可以用如下公式表示。

　　uout=uin·GC

　　輸

入信號(hào)為電壓為5V，并帶有噪聲的直流信號(hào)。

　　控制信號(hào)為：

　　(n=0,1,2...)

　　輸入電壓為常數(shù)Vref，uout(t)可用傅氏級(jí)數(shù)表示為：

　　可見(jiàn)，輸出信號(hào)中含有基波和奇次諧波。濾除掉高次諧波即得到所需的單一頻率正弦激勵(lì)信號(hào)。正弦信號(hào)的幅度由基準(zhǔn)電壓源決定，頻率由控制脈沖決定。

　　在這個(gè)環(huán)節(jié)，放大器處理的時(shí)交流信號(hào)，同時(shí)信號(hào)幅度較大，需要著重考慮的指標(biāo)有：噪聲電壓密度，頻率響應(yīng)特性，輸出電壓擺率。激勵(lì)環(huán)節(jié)最終輸出的信號(hào)將作用在電容(傳感器)上，低頻信號(hào)將被濾除掉。同時(shí)放大器的增益很小。因此，放大器的輸入失調(diào)電壓，失調(diào)電流，低頻噪聲等參數(shù)可以不考慮。

　　放大器選用LT1128。LT1128是一個(gè)單位增益穩(wěn)定的低噪聲運(yùn)算放大器。等效輸入電壓噪聲密度最大值為1.1nV/肏z。增益帶寬積不小于13MHz。輸出電壓擺率5V/ms。

　　在這里輸出電壓擺率要求不小于。如果取正弦信號(hào)頻率為500KHz，則要求放大器的輸出電壓擺率不小于30V/ms。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LT1128的能力。這個(gè)問(wèn)題采用下面的技術(shù)解決。

　　電路中的開(kāi)關(guān)使用一個(gè)N溝道MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　大輸出電壓擺幅放大技術(shù)—運(yùn)算放大器復(fù)合

　　在這個(gè)環(huán)節(jié)要求運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲要盡量小，輸出電壓擺幅、擺率要大，并且大信號(hào)開(kāi)環(huán)增益要大。低噪聲高性能運(yùn)算放大器都不能很好的滿足要求。而這幾項(xiàng)指標(biāo)中，噪聲性能是無(wú)法通過(guò)補(bǔ)償改善的。通過(guò)增加一個(gè)高速的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(如圖6)可以提高低噪聲放大器的輸出電壓擺率。

　　在輸出級(jí)放大器A2的選取上要考慮輸出電壓擺率要大，放大器帶寬要高，頻率響應(yīng)中相位移動(dòng)要小。運(yùn)算放大器A2在設(shè)計(jì)通頻帶內(nèi)的相移要小于A1在此范圍內(nèi)的相位裕量值。

圖6 高輸出電壓擺率組合放大器

　　輸出放大器的增益值等于要求的電壓擺率除以A1的最小輸出電壓擺率值。

　　A2放大器選用LT1227。LT1227是一個(gè)電流反饋寬帶運(yùn)算放大器。140MHz 帶寬1100V/us輸出電壓擺率。