微機(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.2 單位增益放大器電路

　　AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ADXL50 (5g的微機(jī)械加速度計(jì))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(jí)輸入電容,Rgs為輸入電阻。當(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時(shí),前置級(jí)輸入電阻可忽略不計(jì)。由圖3可得,前置級(jí)有用信號(hào)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(biāo)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(cè)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(yùn)算放大器。其中Cp表示分布電容,Cf為標(biāo)準(zhǔn)反饋電容,Rf用來(lái)為放大器提供直流通道,保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf,使時(shí)間常數(shù)RfCf遠(yuǎn)大于載波周期,以避免輸出波形畸變。但Rf過(guò)大為今后電路集成帶來(lái)不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡(luò),替代大阻值電阻。

　　若運(yùn)算放大器具有足夠的開(kāi)環(huán)增益,反相輸入端為很好的虛地,那么,兩輸入端點(diǎn)之間的電位差為零。因此,反相輸入端對(duì)地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對(duì)電路測(cè)量不會(huì)造成影響。電荷放大電路相對(duì)于單位增益放大電路來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單,不需考慮等電位屏蔽問(wèn)題;只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)地的分布電容,即進(jìn)行合理的對(duì)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(duì)地的分布電容,但是在檢測(cè)微小電容變化時(shí),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(dāng)載波電壓頻率大于1/(2πRfCf)和小于放大器的截止頻率時(shí),輸出電壓Vout應(yīng)該表示為:

3 檢測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對(duì)慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)后,傳感器的動(dòng)片即處于振動(dòng)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(hào)提取出來(lái),經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機(jī)中,觀察傳感器的輸出響應(yīng),為下一步利用軟件方法分析微機(jī)械慣性傳感器的時(shí)域、頻域特性打下基礎(chǔ)。