微小差分电容检测电路设计

　　1　微电容加速度计等效电路

　　图1是一种梳状电容加速度计的结构示意图,上下是固定极板,中间是可以运动的质量块,质量块和上下极板之间产生的电容分别为C₁,C₂。在外力作用下,质量块沿加速度的方向摆动,改变其与上下极板之间的距离,从而使C₁和C₂的电容量跟着变化。

　　有关文献分析表明,C₁和C₂与加速度a之间有着如下的线性关系

　　其中k为常数,C₁+C₂近似不变,测出C₁-C₂就可计算出加速度的大小。

　　2　开关电容放大电路的工作过程

　　由MOSFET开关、电容和高精度CMOS运算放大器组成的电路称为开关电容电路,它已成为用标准CMOS工艺实现模拟信号处理电路的一种常用方法。图2是开关电容同相放大电路的工作过程,主要经历两个阶段:采样阶段和放大阶段。首先, S1和S3接通, S2断开,电路进入图2(b)所示的采样阶段,V_out=0,V_in对C1充电,使C1两端的电压跟踪输入电压。接着, S1和S3断开, S2接通,电路进入图2(c)所示的放大阶段,存储在C₁上的电荷转移到Cf1上,产生的输出端电压为V_in0(C₁/C_f1),其中V_in0为电路进入放大阶段瞬间的输入电压值。

　　为了避免输入端沟道电荷注入效应,三个开关必须采用适当的时序。图3所示的时钟时序适用于本论文所有的电路。S3在S1之前断开, S3断开之后,运放反相输入端的总电荷保持不变,使得电路不会受S1电荷注入或S2电荷吸收作用的影响。

　　此种结构的放大电路无法消除电容两极板寄生电容的影响,从而使采样精度受到限制。本文利用开关电容等效正跨阻和负跨阻,设计了一种对寄生电容不敏感的开关电容放大电路,并利用它来测量微小差动电容。

　　3　微小差分电容整体检测电路设计

　　3.1　开关电容跨阻等效电路

　　图4所示两端口网络为负跨阻等效电路, S2的接地端在实际应用中连接到运放差分输入端的端口,即虚地。Cp是电容两极板等效寄生电容。C1右极板始终接地(S2和S4交替接通),所以,右极板寄生电容被短路而不能被充电。在ph1周期内, S1接通,左极板寄生电容并联在V1两端,被充电至V1,但是在下个相位周期,即ph2周期内,Cp又被短路,电荷可以释放掉,不影响整个电路的精度。

　　同样,将图4中S1和S3的栅极控制端互换,可得到正跨阻等效电路。将正负跨阻等效电路用在图2中的开关电容放大器中,即可得到与寄生电容无关的同相和反相开关电容电压放大器。

　　3.2　互补开关的设计