具有零偏补偿功能的电容式微加速度计接口电路

电容式微加速度计因具有动态响应快、分辨率高、结构相对简单、温漂低等优点[1-2],应用越来越广泛。在惯性导航、微重力测量、平台稳定等领域对于高精度微加速度计有着迫切的需求[1,3]。

电容式微加速度计依靠对变化电容的检测来实现加速度敏感,而ASIC电路性能是目前制约微加速度计性能提高的瓶颈[4]。电容式接口电路因具有信号输出大、温漂低、线性度好的特点,可用于闭环加速度计的电容检测,受到广泛的关注并得到应用[5-6]。文[1-2]就硅微加速度计和陀螺仪进行了较为全面的介绍,文[3]报到一种单片带数字输出的微加速度计,而文[4]采用注入电荷消除开关技术降低了电路噪声、简化了电路,因此降低了电路功耗,文[5-6]在微加速度计模型和系统特性方面做了一些深入的分析和研究。

本文提出并设计了一种用于电容式微加速度计的接口电路。该接口电路为一款低噪声的差分微电容读出电路。基于开关电容技术,采用采样电荷结构,并在其前端读出电路带有采样开关噪声消除技术,用来与差分电容式MEMS传感器实现接口。

1　接口电路组成和结构

斩波稳定技术[7-8]和开关电容技术[9-11]是接口电路常用的两种技术,本文基于开关电容技术,采用采样电荷结构。图1给出了接口电路框图,电容式传感器为采用体加工工艺实现的硅微敏感结构,用来感知外界加速度计而产生电容变化,变化的电容经电容读出前端电路、解调滤波放大电路(这两部分构成了采样电荷结构)实现等比例的电压输出,采样电荷结构如图2所示。

2　电容式传感器前端读出电路

图3为电容式传感器前端读出电路的原理图,其中Um为直流电压,经系统时钟和相应开关调制成为电容式传感器所需要的激励信号,而Upl是为了闭环应用而设计动极板预载电压。该前端电路采用采样开关噪声(KT/C noise)消除技术来提高噪声性能。相应的电容式传感器应该设计成能够提供差分电容输出,这时前端读出电路就能感知电容的变化ΔC并将之转化成电压输出ΔU。

该电容式传感器前端读出电路的工作原理如下:在系统时钟Φ1相,图3中节点P处的上电荷为

在系统时钟Φ2相时,由于开关S断开,输入电容Ci在Q处的唯一相连接的就是放大器的输入端,等效为一个非常大的电容,不存在电流通道,输入电容Ci在Q处没有放电或充电通道,输入电容Ci上的电荷保持不变。另外, Q点处的电势一直为虚地,输入电容Ci的容值不变,因此输入电容Ci上的电压差不变,也即P点处的电势保持Vpl不变,此时节点P处的电荷为