电容式加速度计单芯片开环检测电路的研制

　　引　　言

　　MEMS加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器,是微型惯性测量组合系统(MIMU)的重要基础元件。作为典型的军民两用产品,集成的硅微加速度传感器是航空航天、小型卫星、灵巧炸弹、微小导弹、鱼雷、各种机器人、工业自动控制、汽车以及玩具等姿态控制的关键元件[1]。

　　由于电容式加速度传感器输出信号非常微弱,如果没有相应的小信号检测电路,那么根本无法实现传感器的实用化。相对于当前主要采用闭环电路实现检测[2-3],成功地研制出了一种开环检测电路,它具有结构简单、功耗小、噪声低、线性度好等优点。

　　1　系统原理分析

　　系统的原理框图如图1所示。由于系统的噪声在低频时较大,信噪比低,而在高频段信噪比相对比较高,为了完成对微小信号的测量,就应降低系统噪声的影响。对传感器信号进行调制能较好地解决这一问题。当有加速度信号作用在活动梁上时,因加速度信号频率与高频载波频率相比很小,故实际上此时从传感器输出的信号就己经把加速度信号变为经过调制的电压信号。由于系统没有采用反馈结构,直接把活动梁上的电压信号传输给缓冲放大器输入端的栅上,所以没有充放电回路,但活动梁作为电容的一个极板如果没有充放电回路,不能在梁上产生交变信号,所以需要一个充放电回路与活动梁连接,但又不能影响梁上的电压信号。可以采用一个窄脉冲信号控制的开关,给梁充放电。考虑到从传感器输出的电压信号驱动能力很弱,所以在传感器后加了一级缓冲器放大器来提高它的驱动能力,可适当设置放大器的放大倍数,这样可以减少后级电路在传感器输出端的等效噪声,从而提高系统的检测能力。最终要得到的信号是与加速度成线性关系的电压信号,因此需要对缓冲放大器输出的高频信号进行解调,从中获得所需低频信号。

　　电压基准源为整个电路提供Vcc/2的电压。电流基准源为自检电路提供恒定电流以完成对整个系统的自检——测试电路是否能正常工作。本系统采用开关电容滤波电路实现信号的采样解调。

　　2　电路设计

　　由系统原理图可知,系统主要包括以下电路单元:数字信号产生电路、缓冲放大器、解调滤波电路、　自检电路、电压基准源和电流基准源。基于篇幅的限制文中主要讨论了数字信号产生电路、缓冲放大器、自检电路、电压基准源和电流基准源。

    　2.1　时钟产生和两相时钟电路

　　时钟产生和两相时钟电路为电路产生时钟脉冲来控制滤波电路和高频载波产生器的开关,它包括:反相器和RC网络组成的振荡电路产生原始时钟,两个D触发器实现二分频电路。