微电容检测电路的设计和噪声分析.pdf

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1、2016正仪表技术与传感器2016第12期InstrumentTechniqueandSensorNo．12微电容检测电路的设计和噪声分析赵蕾，张文栋，何常德，张国军(中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051)摘要：微电容检测电路需要测量由电容式微机械超声换能器产生的高频微弱且夹杂噪声的信号．针对此问题，文中首先设计了基于跨阻放大的检测电路；然后构建了检测电路的等效噪声模型，并根据噪声理论和叠加原理，推导了电路的输出噪声计算公式，进而算出电路噪声电压；最后通过水下测试系统的搭建验证了微电容检测电路的可行性，并测得电路实际检测精度为5nA，与理论计算检测精度为相同

2、量级，证明了文中提出的噪声模型与计算公式的正确性。关键词：检测电路：噪声模型；噪声计算；检测精度中图分类号：TN911文献标识码：A文章编号：1002-1841(2016)12-0157-04DesignandNoiseAnalysisofWeakCapacitanceDetectionCircuitZHAOLei，ZHANGWen·dong，HEChang—de，ZHANGGuo-jun(ScienceandTechnologyonElectronicTestandMeasurementLaboratory，NorthUniversityofChina，Taiyuan03

3、0051，China)Abstract：Weakcapacitancedetectioncircuitneedstomeasureahighfrequency，weakandmixedwiththenoisesignalthatcomesfromthecapacitancemicro—machinedultrasonictransducer．Forthisproblem，firstly，thepaperdesignedadetectioncircuitbasedonthetransimpedanceamplification．Thenthepaperbuiltequival

4、entnoisemodelofdetectioncircuitanddeducedformulasthatwasaboutoutputnoiseofthecircuitaccordingtothenoisetheoryandtheprincipleofsuperposition，andthencalculatednoisevoltageofthecircuit．Finally，thepaperverifiedfeasibilityoftheweakcapacitancedetectioncircuitthroughbuildingunder·watertestsystema

5、ndmeasuredtheactualdetectionaccuracythatwas5nA，andthemagnitudeofdetectionaccuracywasthesamewithmagnitudeoftheoreticalcalculation．Theresultsverifiedthecorrectnessofthenoisemodelandcalculationformulathatwereproposedinthispaper．Keywords：detectioncircuit；noisemodel；noisecalculation；detectionac

6、curacy0引言等。充放电法的电路简单，成本较低可采用CMOS工随着MEMS技术的发展，出现了电容式微机械超艺实现集成，数据读取速度较快，缺点为其采用直流声换能器(cMUT)]。电容式微机械超声换能器具有电源，放大后的漂移问题严重，影响测量效果；电荷转灵敏度高、频带宽、易于制造成大阵列等优势，因此移法中电容的充放电由电子开关网络来控制，但电子其被广泛应用在压力、湿度、加速度、位移、气体等检开关会带来电荷注入效应，对测量结果的影响无法完测中_3]。电容式微机械超声换能器在接受超声波作全避免I5]。文中提出的基于跨阻放大的微电容检测用时，自身的电容变化仅为级『4]，远小于电路

7、中的电路既可以避免以上问题，还可以消除自激振荡，改杂散电容．同时自激振荡和拖尾现象使输出信号受到善拖尾现象。影响．并使有用信号淹没在电路噪声中．加大测量难在实现微电容检测的过程中．检测电路会引人运度。且电容式微机械超声换能器的谐振频率都在几算放大器，放大器不仅将有用信号放大，同时也将输百kHz到MHz之间，属于高频微弱电容信号检测范入噪声进行同等放大，而且放大器自身也会引入新的畴。对检测电路的检测精度要求很高，因此许多常规噪声。降低了系统的信噪比。因此，确定检测电路等的电容检测方法已经不再适用_4J。目前，微电容检