高性能电容传感器检测系统(下)

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。

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353K欧姆。在取单位增益时，RF的取值为353K欧姆，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0.9nV根下Hz到3nV根下Hz。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。

应用星形电阻网络与三角形电阻网络等效变换，可得图9。

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。运算放入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1/ωCs较小，忽略掉1/ωCs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。

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LTl994配合。

∑/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／∑型。

积分型AID转换器由于转换速率低，只有很少的应用。逐次逼近型和/∑型AID应用很广泛。而逐次逼近型AID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。

∑/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。∑/转换器低成本高性能的特性使其得到越来越广泛的应用。

∑／型A／D转换器的组成如图10。

∑／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A／E转换器实现高精确度的原因之一。

同时，∑／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，量化噪声的功率差为：

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。∑／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∑／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。∑／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。

∑／调制器的噪声成形作用

一个一阶∑／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。

整个∑／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∑／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。

可见，∑／调制器对信号是全通的，而对量化噪声高通的。通过∑／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。

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。

器件选用

器件选用了LTC2446。这里主要考虑了较高的，同时是可编程的数据输出速率；低噪声。

A／D输入驱动

A／D输入驱动级采用全差分放大器LTl994。应用电路如图14。

LTC2446的输入级为双极性全差分输入，VIN=IN+-IN，其变化范围为从－FS=-0.5・VREF到+FS=0.5・VREF。其中VREF=REF+-REF。

LTl994在完成差分信号放大的同时，还完成了共模电压的移动。将输入的共模0V的电压移动到A／D需要的2.5V。

结　语

在本系统设计中，涉及到了低噪声，低漂移，高频大摆幅等多项高难度的放大技术。Lin-earTechnology公司提供的高性能的放大器产品以及其他类型的高性能模拟器件使得该系统得以实现。

完成的高分辨率微小电容检测系统，达到了17bits的分辨率，在10pF量程下，可分辨10-16F的微小电容量变化，并能得到每秒不少于1000次的测量结果。高精度和高动态性能使得该系统可被广泛应用于多种传感电容检测的场合。