高性能微加速度计接口电路的研究

　　0　引言

　　微机械加速度计应用领域广泛。其中,电容式微加速度计具有灵敏度高、稳定性好、温度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下的特点。敏感结构通常为差分电容结构,由于结构的微型化,初始电容值非常小,一般只有几pF,而电容变化量更小,只有初始电容的几千分之一,所以接口电路的检测能力成为影响加速度计性能的一个重要因素。目前差分电容的检测方法主要有相关双采样法、脉宽调制法、开关相敏解调法^[1-3]。相关双采样法中电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除,脉宽调制法对电路的对称性要求较高,元件的不匹配会带来较大的测量误差。文中采用开关相敏解调法进行差分电容的检测,该电路结构简单,有效消除寄生电容的影响,线性度和灵敏度高。

　　1　差分电容检测原理

　　差分电容结构如图1所示,左右两块极板是固定电极,分别施加幅度相等,频率相等,相位相反的高频正弦波,中间极板是敏感质量块构成的动电极,在加速度a的作用下,可以在水平方向上沿加速度的方向运动^[4]。设C_a=C_b=C₀,没有外界加速度作用时,动电极处于中间位置,电压输出为0 V.当有外界水平加速度时,动电极相对中间位置发生偏移,使一个电容增大,一个电容减小,产生差分电容Δ_C=C_a-C_b,正负性与加速度的方向有关,加速度越大,动电极位移越大,ΔC越大,输出电压越大。设动电极在加速度的作用下产生的位移为Δd,则有:

　　2　接口电路设计

　　接口电路框图如图2所示,加速度计的敏感结构(差分电容)由载波发生器产生的两个频率和幅度相等、相位相反的正弦信号激励,流经电容的电流经过电荷放大器转化为电压信号,放大之后与移相90°的激励信号输入到开关相敏解调器,解调之后经过低通滤波,获得一个正比于加速度变化的直流电压信号。

　　2.1　载波发生器

　　电路采用正弦波作为载波,载波发生器采用高频、高精度、低输出电阻、驱动能力强的发生芯片MAX038,外围电路如图3所示。为了避免低频噪声的干扰,载波的频率应设置较高,但也要考虑到后续电路IC的工作带宽而不能过大。正弦波的幅度为2 V,输出频率由注入引脚的电流I_in、COSC引脚的电容C₁(对地)以及FADJ引脚上的电压确定,其关系由式(2)、式(3)决定。

　　2.2　电荷放大器

　　它采用具有极高输入阻抗的运放,如图4所示。C_p为加速度计输出端的寄生电容和运放输入端的寄生电容之和。C_f为标准反馈电容,选取合适的反馈电阻R_f,使时间常数R_fC_f远大于载波周期,以避免输出波形失真。