输入端电容对电荷放大器噪声性能影响的研究.docx

第33卷第8期增刊仪器 仪表学报V01．33No．82012年8月ChineseJournaIofScientificInstrumentAug．2012输入端电容对电荷放大器噪声性能影响的研究木李昊陈志勇董永贵(清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084)摘要：针对基于位移电容转换方式的微机电系统敏感器件，理论分析了检测极板电容及分布电容对电荷放大器噪声性能的 影响，并且使用仿真和实验方法验证了分析结果。研究表明，对于检测极板电容值较大的微机电结构，运放的等效输入噪声 电压是电荷放大器的主要噪声来源。此时电荷放大器的输出端噪声随输入端电容增大显著增大，两者成线性关系。检测极板 电容值较小时，采用分立元件组成的电荷放大器中，电路中信号耦合所导致的本底噪声是主要的噪声来源，印刷电路扳的设 计将是影响微小电容检测分辨率的关键。关键词：微弱信号检测低噪声设计电荷放大器微机电系统StudyontheinfluenceofinputcapacitancetochargeamplifiernoiseperformanceLiHaoChenZhiyongDongYonggui(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandlnstn|fments,Dept．ofPrecisionInstrumentsandMechanology,TsinghuaUniversity,Beijing100084China)Abstract：ForMEMSsensorsbasedondisplacementtocapacitanceconversion，theinfluencesofthesensingelectrodescapacitanceandthedistributed capacitanceto chargeamplifiernoiseperformanceweretheoretically analyzed．Attainedresultsarecrosscheckedviasimulationsandexperimentalmeasurements．Itisshownthat，forMEMSstructureswithlargersensingelectrodecapacitances,theinputvoltagenoiseoftheoperationalamplifieristhemainnoisesourceofthechargeamplifier．Theoutputnoiseofchargeamplifierincreasessignificantlywiththeinputcapacitance，andthereisalinearfunctionbetweenthem．Whenthe capacitancevalueofthesensingelectrodesissmall，thebackgroundnoise，whichiscausedbytheelectricsignalcoupling，isthemainnoisesourceofchargeamplifierimplementedbydiscretecomponents．Printedcircuitboarddesignwillbe the keytothesmallcapacitancedetectionresolution．Keywords：weaksignaldetectionlow-noisedesignchargeamplifierMEMS1引言分辨率。但是，反馈电容、运放输入端电容和检测 电极电容等会增加电荷放大器的输入端电容。该电电容检测方式具有温度系数低、功耗低、噪声 容增大了运放输入端等效噪声电压的增益系数，从小和与现有集成电路制造工艺兼容等优势，广泛应而影响系统的噪声性能。本文采用理论分析、仿真用在微机电系统位移检测中【卜31。可用于电容检测的和实验方法研究了电容检测方式中输入端电容对前置放大电路大致有连续时间的电压放大器、电荷电荷放大器噪声水平的影响。研究结果表明，对于放大器、跨阻放大器和分离时间电荷检测电路等几检测电极静态电容较小的情况，该电容变化对电荷种形式【41。其中，电荷放大器使用电容作为反馈元放大器噪声性能没有明显影响；对于极板静态电容件，可以减小放大器的噪声带宽，从而提高检测的较大的情况，放大器的输出噪声随着电容值增大线性增加。·基金项目：国家自然科学基金资助项目321第8期增刊李吴等：输入端电容对电荷放大器噪声性能影响的研究2电荷放大器的噪声定各个噪声源互不相关，电荷放大器输出端噪声功率谱密度可表示为：￡(棚)=I‰12+‰1