差分电容电压转换电路噪声性能分析及测试

　　近年来，在传感器微弱信号检测领域，电容检测以其温度系数低、功耗小、噪声低以及反应速度快、灵敏度高、结构简单、易于与CMOS 电路单片集成等优点得到了广泛应用[1-4]。目前对电容进行测量的主要手段是把电容信号转换为电压信号，通过对电压信号的测量来间接获得电容的大小。电容电压转换电路主要有开关电容积分型和连续时间电容电压转换型两种[5-9]。其中连续时间电容电压电路又可以分为单路载波调制型检测电路和双路载波调制型检测电路。开关电容积分型电容电压转换电路中存在时钟馈通、采样尖峰、寄生参数、电荷注入等问题，严重影响了转换电路的性能[10]。双路载波调制型电容电压转换电路的缺点在于产生幅度相同、相位严格相差180°的载波信号比较困难。而单路载波调制型差分电容电压转换电路只需要一路载波信号，采用高频载波进行调制的优点是可以有效的避开1 /f 噪声的影响，并且后级仪表放大器对信号进行差分放大，因此能很好的抑制共模干扰。单路载波调制型差分电容电压转换电路相对于其他电路来说具有噪声低、设计简单、线性度高、受寄生效应影响小等特点[11-12]。

　　本文基于电容检测式加速度传感器，研究单路载波调制型差分电容电压转换电路的噪声性能，并对电容电压转换电路的本底噪声进行测试，指出本底噪声中影响加速度计系统最终噪声性能的差模噪声分量的大小，对系统噪声性能的评估具有指导意义。

　　1 差分电容电压转换电路

　　采用单路载波调制型差分电容电压转换电路的电容检测式加速度计系统的框图如图1 所示。整个系统由加速度传感器、载波产生电路、差分电容电压转换电路、仪表放大电路、相移电路、解调电路以及低通滤波电路所组成。当沿加速度传感器的敏感轴有一加速度输入时，其内部的两个差分检测电容的大小将发生变化，即差分检测电容分别变为Cs +ΔC和Cs-ΔC。电容电压转换电路将电容信号调制在高频载波信号的幅度上，两路电容电压转换电路输出的调幅信号经后级的仪表放大器之后共模信号被抑制，差模信号被放大，进一步通过解调和低通滤波的方法可获得与输入加速度信号成正比的电压信号。

　　典型的差分电容电压转换电路的电路图如图2所示。

　　其中，Cs1和Cs2为传感器内部的差分检测电容，当没有加速度输入时，Cs1与Cs2相等，但由于实际加速度传感器加工过程中工艺误差所导致的结构尺寸误差使得Cs1和Cs2的初始值并不相等; Cf为电容电压转换电路中的反馈电容; Rf为反馈电阻; Vcarrier为高频载波信号。单路电容电压转换电路的幅频特性和相频特性分别为: