电容式加速度计读出电路芯片设计

　　1　开关电容积分电路

　　开关电容积分电路是检测微小电容的主要电路形式,通过时钟时序的变化控制开关的接通与关断,实现对积分电容的充放电,从而完成微小电容信号到相应电压输出的转换。为了得到高精度的电压读出信号,需要设计可以最大化消除各种非理想因素的开关电容积分电路。通过合理设计电路结构以及充放电时序,可以得到减少放大器失调电压和1/f噪声以及输入端寄生电容影响的开关电容积分电路,如图1所示。

　　如图1,Cs+和Cs-为电容式传感器的2个传感电容,Cs+表示因传感器两极板间距变小而引起的电容值变大的传感电容,Cs-表示电容值变小的传感电容。如时序所示,Φ1被分成2个时钟Φ1a和Φ1b,在Φ1a阶段,Cs+被连接到Vdc_in1电压源进行充电, Cs被连接到Vdc_in2电压源进行充电;但在Φ1b阶段,两个连接正好反过来。在这两个阶段,积分电容Ci被短接,释放残余电荷,减少电荷积累影响。在与Φ1相位相反的Φ2阶段,Cs+和Cs-开始放电,对Ci进行充电,最终在此电路输出端得到Cs+和Cs-变化所对应的电压输出。

　　通过分析计算可以得出输出电压的2个峰值为:

　　2个峰值之差为:

　　由公式可以看出,电压峰值之差正好对应加速度计差分电容变化量,这2个峰值可以通过后面的采样保持电路读出。因为每个峰值都受放大器失调电压和1/f噪声而产生一定的偏差,但是两值相减后即可减少其影响。此外,因为2个传感电容Cs+和Cs-的一端始终接地,另外一端通过周期性的复位开关接到放大器的虚地端,所以读出电路不受寄生电容影响。尽管上述开关电容积分电路能够减少放大器失调电压和1/f噪声以及输入端寄生电容的影响,从而提高读出电路的精度,但是此电路中的核心部分运放采用的是AMS(奥地利微系统)公司提供的标准单元OP03B,这就限制了设计必须用AMS公司的流片工艺。而且运放OP03B低频时的1/f噪声比较大,频率为10Hz时等效输入噪声为80nV/ Hz,影响读出电路的精度,因此有必要设计一种低噪声运放,用来进一步减少1/f噪声,而且使整个读出电路在各种工艺下均可流片。

　　2　低噪声运放

　　如上所述,为了进一步减少噪声影响,提高读出电路的精度,而且使设计可以在各种工艺下流片,开关电容积分电路中的标准单元运放OP03B需重新设计一种低噪声运放代替。通过综合考虑各种因素,合理选择电路结构和设计各个MOS管的宽长比,最终确定采用二级运放结构,包括偏置电路和启动电路,如图2所示。

　　通过Cadence Spectre的仿真,其等效输入噪声和等效输出噪声如图3所示。

　　从上图可以看出,在低频段10Hz时,低噪声运放的等效输入噪声仅为小于运放OP03B的等效输入噪声;其等效输出噪声也很小,约为33nV/由此可以看出,所设计的低噪声运放的性能非常好,减少了1/f噪声,有效提高了整个读出电路的精度。