差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路噪聲性能分析及測試

張 霞，胡世昌，朱輝杰

(1.西安郵電學(xué)院電子信息工程學(xué)院，西安 710100;2.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

近年來，在傳感器微弱信號(hào)檢測領(lǐng)域，電容檢測以其溫度系數(shù)低、功耗小、噪聲低以及反應(yīng)速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、易于與CMOS電路單片集成等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［1－4］。目前對(duì)電容進(jìn)行測量的主要手段是把電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)的測量來間接獲得電容的大小。電容電壓轉(zhuǎn)換電路主要有開關(guān)電容積分型和連續(xù)時(shí)間電容電壓轉(zhuǎn)換型兩種［5－9］。其中連續(xù)時(shí)間電容電壓電路又可以分為單路載波調(diào)制型檢測電路和雙路載波調(diào)制型檢測電路。開關(guān)電容積分型電容電壓轉(zhuǎn)換電路中存在時(shí)鐘饋通、采樣尖峰、寄生參數(shù)、電荷注入等問題，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)換電路的性能［10］。雙路載波調(diào)制型電容電壓轉(zhuǎn)換電路的缺點(diǎn)在于產(chǎn)生幅度相同、相位嚴(yán)格相差180°的載波信號(hào)比較困難。而單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路只需要一路載波信號(hào)，采用高頻載波進(jìn)行調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以有效的避開1/f噪聲的影響，并且后級(jí)儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，因此能很好的抑制共模干擾。單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路相對(duì)于其他電路來說具有噪聲低、設(shè)計(jì)簡單、線性度高、受寄生效應(yīng)影響小等特點(diǎn)［11－12］。

本文基于電容檢測式加速度傳感器，研究單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的噪聲性能，并對(duì)電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲進(jìn)行測試，指出本底噪聲中影響加速度計(jì)系統(tǒng)最終噪聲性能的差模噪聲分量的大小，對(duì)系統(tǒng)噪聲性能的評(píng)估具有指導(dǎo)意義。

1 差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路

采用單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的電容檢測式加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由加速度傳感器、載波產(chǎn)生電路、差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路、儀表放大電路、相移電路、解調(diào)電路以及低通濾波電路所組成。當(dāng)沿加速度傳感器的敏感軸有一加速度輸入時(shí)，其內(nèi)部的兩個(gè)差分檢測電容的大小將發(fā)生變化，即差分檢測電容分別變?yōu)镃s+ΔC和Cs－ΔC。電容電壓轉(zhuǎn)換電路將電容信號(hào)調(diào)制在高頻載波信號(hào)的幅度上，兩路電容電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)后級(jí)的儀表放大器之后共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào)被放大，進(jìn)一步通過解調(diào)和低通濾波的方法可獲得與輸入加速度信號(hào)成正比的電壓信號(hào)。

圖1 基于差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的加速度計(jì)系統(tǒng)框圖

典型的差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖2所示。

圖2 單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路

其中，Cs1和Cs2為傳感器內(nèi)部的差分檢測電容，當(dāng)沒有加速度輸入時(shí)，Cs1與Cs2相等，但由于實(shí)際加速度傳感器加工過程中工藝誤差所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)尺寸誤差使得Cs1和Cs2的初始值并不相等;Cf為電容電壓轉(zhuǎn)換電路中的反饋電容;Rf為反饋電阻;Vcarrier為高頻載波信號(hào)。單路電容電壓轉(zhuǎn)換電路的幅頻特性和相頻特性分別為:

同理可得到另外一路電容電壓轉(zhuǎn)換電路的幅頻特性為:

因此，差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的兩路輸出信號(hào)分別為:

經(jīng)后級(jí)儀表放大器之后的信號(hào)可表示為:

其中G為儀表放大器的增益。在電容電壓轉(zhuǎn)換電路中Rf的取值很大，滿足ωCfRf?1。因此式(4)可簡化為:

由式(5)可見，儀表放大器輸出高頻信號(hào)的幅度與傳感器內(nèi)部的電容變化量成正比，因此通過后級(jí)電路的解調(diào)和低通濾波可獲得反映輸入加速度信號(hào)的電壓信號(hào)。

結(jié)合電容檢測式加速度計(jì)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)建立了電容電壓轉(zhuǎn)換電路的噪聲等效電路模型［12］，如圖3所示。

圖3 電容電壓轉(zhuǎn)換電路的等效噪聲模型

其中，CT=CS+Cf+CPS+CPAD+CP+CPA，CS為傳感器內(nèi)部的檢測電容，Cf為反饋電容，CPS為傳感器內(nèi)部與CS成并聯(lián)關(guān)系的寄生電容，CPAD為傳感器與電路接口處的焊盤電容，CP為固定器件的過孔等非理想因素所引入的寄生電容，LP為過孔等非理想因素所引入的寄生電感，在頻率fm處感抗很小，可忽略不計(jì);CPA為放大器等效輸入端電容，RP為寄生電阻，Rf為電路的反饋電阻，fm為加在器件極板上的高頻載波頻率，Vna為放大器在頻率fm處的等效輸入端噪聲電壓，VnRP=(4KBTRP)1/2代表寄生電阻引入的熱噪聲電壓，inRf=(4KBT/Rf)1/2代表反饋電阻所引入的熱噪聲電流。電容電壓轉(zhuǎn)換電路等效輸出端噪聲電壓可以表示為:

由于放大器的內(nèi)部包括熱噪聲、散粒噪聲以及1/f噪聲，因此放大器自身的等效輸入端噪聲電壓如圖4所示。由于載波信號(hào)頻率在高頻fm處，因此該電路能有效的抑制低頻噪聲對(duì)傳感器檢測精度的影響。

圖4 放大器噪聲電壓的功率譜密度分布

2 差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路本底噪聲的測試與分析

為了降低差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲以及提高兩路電容電壓轉(zhuǎn)換電路的一致性，應(yīng)選擇噪聲小、精度高的雙運(yùn)放集成電路芯片。并且為了很好的抑制共模信號(hào)，應(yīng)選擇共模抑制比大且噪聲低的儀表放大器。當(dāng)采用雙運(yùn)放集成電路芯片作差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路時(shí)，兩個(gè)放大器的等效輸出端噪聲電壓中可能存在一定的共模噪聲成分。由于后級(jí)儀表放大器有很高的共模抑制比，因此共模噪聲對(duì)系統(tǒng)輸出端的噪聲是沒有影響的，而差模噪聲將影響系統(tǒng)輸出端的本底噪聲。因此，我們采用矢量分析儀分別對(duì)電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲以及儀表放大器輸出端的噪聲進(jìn)行測試，從而能夠依據(jù)測試結(jié)果將電容電壓轉(zhuǎn)換電路本底噪聲中的差模噪聲分量和共模噪聲分量分離開來。測試結(jié)果如圖5所示，其中載波信號(hào)的頻率為200 kHz，測試載波附近5～45 Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率譜密度。

圖5中的黑色曲線為電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲，測試結(jié)果為－134.3 dBm/Hz。紅色曲線為儀表放大器輸出端的噪聲，測試結(jié)果為－111.4 dBm/Hz。依據(jù)儀表放大器AD8221的芯片資料，可計(jì)算得到在增益設(shè)置電阻為3.9 kΩ時(shí)，儀表放大器自身等效輸出端的本底噪聲為－124.0 dBm/Hz，且此時(shí)儀表放大器的增益為22.7 dB。因此，若差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲完全被儀表放大器放大，則儀表放大器輸出端的噪聲功率譜密度應(yīng)為－108.3 dBm/Hz。而實(shí)際系統(tǒng)的測試結(jié)果為－111.4 dBm/Hz。由此可見，差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲中存在一定的共模噪聲成分，該共模噪聲被儀表放大器所抑制，因此不會(huì)影響后級(jí)電路的輸出端噪聲。

圖5 電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲和儀表放大器輸出端的噪聲

結(jié)合以上分析及測試結(jié)果可知電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲為－134.3 dBm/Hz，其中差模噪聲的功率譜密度為－137.0 dBm/Hz，即電容電壓轉(zhuǎn)換電路中影響加速度計(jì)系統(tǒng)噪聲性能的差模噪聲功率約占其本底噪聲功率的50%。

3 結(jié)語

本文基于電容檢測式加速度計(jì)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了單路載波調(diào)制型差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路，建立了電容電壓轉(zhuǎn)換電路的等效噪聲模型。對(duì)雙運(yùn)放集成電路芯片所構(gòu)成的差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲以及后級(jí)儀表放大器輸出端的噪聲進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明在電容電壓轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲中共模噪聲分量約占50%，而儀表放大器有很高的共模抑制比，因此該共模噪聲不會(huì)影響加速度計(jì)系統(tǒng)的分辨率。

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