微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨

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1、微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨ADiscussionofweaksignalprocessionandA/Dcircuit郭斌欧阳烨（中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室）GuobingOuYangYei摘要：模拟电路的设计知识虽散,设计人员需具备一定的实践经验，但也是有轨可寻。本文通过直流激励MEMS压力传感器，尤其是交直流激励MEMS差分电容振动加速度传感器的调理电路和模数转换电路的实现二个典型电路，来阐述模拟电路的设计的一些方法、规律，抛砖引玉。关键词：差分电容传感器前置放大阻抗匹配信号调理线性放大A/D模数转换电路Abstract:Thisarticlediscus

2、sesfourtypicalprocessionandADcircuitsforDCstimulatedpressuresensor,AC/DCdifferencecapacitancevibrationaccelerationsensortopresentsomemethodsofanalogcircuitdesign.引言:在20世纪80年代崛起的数字技术迅猛发展的光芒照耀下，模拟技术的进步，确显的蹒跚滞后。但现时随着科学技术的不断发展，人们对自然认识的“与时俱进”，在电子电路技术领域对模拟电子线路的认识又重新进行了定位。虽然今天的模拟电路的功能大部分可以用集成电路来实现，但至今仍有许多

3、模拟电路不得不采用大量的分离电路或混合电路来实现，特别是在大功率、高频、A/D、D/A接口电路，而其中模拟电路的难点应当首推为微弱信号的调理电路和模数转换电路。成功的电路测控系统，要求传感器和模拟电路有有机的阻抗匹配和能量匹配，系统要求电路平衡。通常定义传感器是一种换能器，严格来说,传感器是一种接收信号或受激励并以电信号响应的能量转换器件。传感器将其它类型的能转换成电能，正是因为传感器有如此类型的特点,传感器及其相关的转换、调理电路和模数转换电路可用来测量各种不同的物理量，例如：温度、力、压力、流量、光强、物体加速度等。但是就传感器本身而言传感器不能独立工作，通常它是和信号调理电路和各种模拟

4、信号电路或数字信号电路构成一个电路系统。大多数传感器其满度输出都是相当小的微弱的信号,在进一步作模拟或数字处理之前,必须对它们的输出进行适当的处理。据此,便发展出了通常称之为的信号调理电路的一大类分枝电路。这类电路，大至分为放大、电平转换、电隔离、阻抗变换、线性变换和滤波电路等。但是,不管采取哪种调理方式,调理电路的结构和性能都取决于传感器的电特性和输出。根据传感器的一种分类法,将传感器分为有源和无源二类。一般而言,有源类传感器是指无需外部激励自身可以产生变化的电信号；无源类传感器则是指需外部激励方可产生变化的电信号,且自身不能产生电信号。激励又可分为直流激励,交流激励,交直流混和激励三种。

5、本文根据上述传感器的分类,联系具体的MEMS压阻式、MEMS电容式传感器的应用。来谈一谈调理电路和模数转换电路的实现的一些方法、规律。传感器调理电路和模数转换电路的实现1)直流激励MEMS压力传感器调理电路和模数转换电路的实现图一是一个测量压力的电路原理图,选用的压力传感器是目前时尚的微机械MEMS压力传感器。微机械MEMS系统传感器,是近些年来发展较快的一新科技领域，是以硅为基体,在此基础上发展出流量、压力、振动、角速度传感器系列等。MEMS压力传感器采用惠斯通电桥可变电阻法,一对惠斯通桥臂电阻被光刻在硅悬臂梁的正反二面上,当悬臂梁受外力胁迫变形时,会对这对惠斯通电桥臂电阻产生一拉,一压的

6、作用效果，这时，这对电桥臂电阻的阻值就会发生变化。外力引起的变化调制成这对电阻的阻值变化。硅MEMS压力传感器是一种无源传感器,硅悬臂梁在压力作用下产生变形,从而引起这对惠斯通桥臂电阻的阻值变化。在外加直流电压或电流的激励下,外加压力通过引起电阻的变化，被调制成电信号的变化。这对惠斯通电桥臂电阻采用光刻蚀而成,一般在10K左右。用MEMS做成的压力传感器比应变片做成的压力传感，电阻值高，器灵敏度高,抗干扰性好，寿命长。图一是一个测量压力的电路原理图：（图一)具体电路如图一所示,一级运放U1采用增益可调平衡差动放大电路输入法，其目的是最大限度的压制共模干扰,提高系统精度。图二增益可调平衡差动放

7、大电路原理及等效电路图（图二）图二是增益可调平衡差动放大电路原理及等效电路图，其中RW'=RW=+R'，R0à0据此推到出可调平衡差动放大电路输出对输入的关系，由节点方程：V-（G1+GF）-V1G1-VWGF=0……………………(1)V+（G1+GF）-V2G1-VVGF=0……………………(2)VW（2GF+GW’）-V-GF-V0GF-VvGW’=0……………………(3)VV(2G+GW’)-V+GF-