高性能电容传感器检测系统*(下)

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作者：北京理工大学机电工程学院禹健时间：2007-08-06来源：电子产品世界收藏

C/V变换电路设计

高增益、低噪声放大技术—T型电阻反馈网络

基本的交流放大电路如图7。

图7 反相比例放大器模型

us为激励信号源。Cs为传感器电容。1pF的电容在450KHz时的阻抗为353KW。在取单位增益时，RF的取值为353 KW，其噪声电压密度为：

低噪声运算放大器的等效输入噪声电压密度为0.9到3。反馈电阻的噪声成为突出的问题。

电阻的噪声与电阻的阻值的二次方根成正比。减小反馈电阻的阻值即可以减小放大电路的总体噪声。因此，首先应取较高的激励电压，放大电路可以取较小的增益，即RF可以取较小的值。其次可以采用T型电阻反馈网络来减小反馈电阻的阻值。

使用T型电阻反馈网络的放大器如图8所示。

图8 T型电阻反馈网络电路

应用星形电阻网络与三角形电阻网络等效变换，可得图9。

图9 T型电阻反馈网络等效电路

为分析简便，取R1等于R2。

T型电阻反馈网络等效到输出端的电压噪声密度：

由于运算放大器等效输入噪声电流密度非常小，可以只考虑输入运算放大器的等效输入电压噪声。运算放大器的等效输入电压噪声经放大后的输出噪声电压密度为：

由于R’相对于较小，忽略掉部分，则有：

则总的输出电压噪声为反馈网络噪声和运放噪声共同作用的结果。同相输入端的电阻RP的噪声可以通过与RP并联一个大容量的旁路电容滤除掉，对输出结果不产生影响。

将前式代入可得：
　
当enp取1(LT6230)时，计算得到：

当G等于14.6时，输出电压噪声最小。

eno = 23.9 R1= 21.2 KW R3= 1.45 KW

通过使用T型电阻反馈网络，使得反相比例放大器的输出噪声大大降低。

相控整流

相控整流电路的传递函数为：

这里，放大器选用了LT6231。设计中并联使用了两个相同的变增益放大电路，来与后续的全差动放大器LT1994配合。

S/D型A/D转换器

常用的高分辨率A/D转换器工作原理主要有三种类型：积分型，逐次逼近型和D/S型。

积分型A/D转换器由于转换速率低，只有很少的应用。逐次逼近型和D/S型A/D应用很广泛。而逐次逼近型A/D中D/A变换器的线性问题和放大器、比较器等的噪声问题制约了其分辨率的进一步提高。同时，高精度D/A网络制造的复杂性使得器件成本较高。

S/D转换器的优势则在于它把大部分转换过程转移到了数字域。模拟器件较少，且工艺要求较低。

S/D转换器低成本高性能的特性使其得到越来越广泛的应用。

S/D型A/D转换器的基本结构

S/D型A/D转换器的组成如图10。

图10 A/D转换器组成

S/D调制器由差分放大器、积分器、比较器(1位量化器)、锁存器，1位D/A转换器组成。由于1位DAC只有两个输出，因此它在整个电压范围内均是线性化的(DAC的最终精度主要取决于基准电压的精度)。这种高水平的线性化是 D/S转换器实现高精确度的原因之一。

同时，S/D型A/D转换器还使用过采样技术、噪声成形技术、数字滤波技术来得到高精度的数据输出。

过采样

对于量化单位为q的n位A/D转换器，若假定量化噪声为白噪声，则量化噪声功率的方差为：

由于量化噪声均匀分布在整个采样频带内，量化噪声的功率谱为：

可见，在量化电平一定时，采样频率越高，噪声功率谱密度越低。S/D型A/D转换器对输入信号的采样频率远远高于信号频率(大于100倍)，从而获得较低的噪声功率谱密度。这就是过采样技术。

然而对于S/D型A/D转换器的1比特量化器，在采用较高的过采样频率下量化噪声密度仍然很高。S/D调制器的噪声成形作用将信号频带的噪声密度进一步降低。

S/D调制器的噪声成形作用

一个一阶S/D调制器由差动放大器、积分器、比较器(1位量化器)、锁存器，1位D/A转换器组成(图11)。输入是被转换的模拟信号，输出是1比特的高速数字数据流。

图11 S/D调制器原理图

整个S/D调制器模拟器件使用很少，对器件的精度和线性度要求不高。

在S/D调制器中，1位量化器由积分器构成的滤波器的阶数(积分器的个数)。图11给出的一阶调制器的线性等效系统框图如图12。Q(z)为量化噪声。

由图12可得：
Y(z)=X(z)+(1-Z-1)Q(z)
可见，S/D调制器对信号是全通的，而对量化噪声高通的。通过S/D调制器量化噪声的频谱密度发生了变化，这就是噪声成形作用。总噪声功率不变，但低频段的分布大大减少，如图13。高频段的噪声将被数字滤波器滤除。

图12一阶调制器的线性等效系统框

数字滤波

数字抽取滤波器为FIR或IIR形式的低通滤波器，在滤除高频段的量化噪声的同时，对数字数据流进行抽取，输出低速率的多比特转换结果数据。

数字滤波器通常设计成可编程的形式。根据不同的应用，可以设置不同的滤波特性，也就得到不同的数据输出速率。输出速率高，滤波器通频带宽，噪声功率大，输出数据的有效位数低。输出速率低，滤波器通频带窄，噪声功率小，输出数据的有效位数高。