开关电路在微机械加速度计中的应用

　　0　引　言

　　随着MEMS技术的发展,许多微机械加速度计的敏感部分通常采用差分电容结构,利用差分电容的变化来反映被测信号的方向和大小[1]。受结构微型化的影响,传感器的固有电容非常小,一般为几个皮法左右,其由于外界信号引起的差分电容变化也很小,约为飞法的量级[2, 3]。同时,微惯性器件的分辨力很大程度上受到结构部分噪声的限制。因此,设计合适的电路将微小信号从噪声、干扰信号中解调出来是十分必要的。现在运用较多的是将输入信号调制到噪声特性好的较高的频率,避过半导体器件信噪比很差的低频区,将之放大到足够大后,再将之解调的方法。本文根据信号的特征提出了一种用于前置检测方法,通过对其原理的分析,得出该方法对信号进行预解调,更便于后级信号的处理。通过利用Hspice仿真,验证该设计的正确性与可行性。

　　1　电路特性分析

　　电路基本结构如图1所示。差分电容是由两相驱动信号:正相驱动和负相驱动,其幅值相同,相位相反。由外加信号引起传感器结构部分的位移变化,从而导致差分电容的变化,经过高频载波调制后,信号信息便蕴藏在电容的变化量ΔC中,通过对活动极梁输入电压的检测,得到电容变化的信息,有利于后级的信号处理。

　　经过调制的差分输入信号(即梁输入)直接接到了前置放大器的输入端,由于运算放大器的输入电阻一般很大,本电路中又是应用CMOS运算放大器,输入电阻可以大于10¹²Ω,因而,可能由于某种原因(如,运算放大器的输入漏电流、输入噪声等)使得在活动极会储存上一定的电荷,如果不把它及时泄放掉的话,会在梁输入处引入很大的误差电压,而且,会被运算放大器放大,足可以掩盖很小的输入信号。

　　解决以上问题的方法有很多种,它们的基本原则都是要给梁输入一个放电的通路,不让电荷在运算放大器正向输入端积累。其中,一种方法是在活动极上加一个比较大的电阻R,并使R的另一端接某一直流电平基准,从而使活动极上的电荷无法积累,同时,还不影响活动极上传递的电信号;另一种方法是用一个开关替代大电阻泄放电荷,该开关的控制信号e1是对驱动信号(正的或负的)分频得来的。这里,采用后一种开关电路方法。

　　2　原理分析

　　由开关泄放型在活动极梁输入处的电压开始分析,当开关控制信号e1为高电平时,此时,开关闭合,活动极梁输入的电压被其强制固定在电平基准,因此,差分电容公共端被强制引入静电荷,当开关控制信号e1为低电平时,由于电路中没有释放回路,因此,电荷在控制信号来前后保持不变。根据此电荷守恒可计算出在控制信号跳变时的梁输入的电压值。