MEMS传感器调理电路优化设计

用MEMS 加速度传感器进行的强冲击试验，具有测试信号微弱、变化快、测试物理环境恶劣等特点，这就对后续调理电路的性能指标提出了苛刻的要求。因此，信号调理电路的设计应特别注重低噪声、低漂移、高增益稳定性、桥压稳定性和较宽通频带等项指标的实现。此外，由于设计的信号调理电路，将来要与传感器以及存储测试系统配套一起装到侵彻试验弹里边去，所以在设计电路时还要考虑以下几点：

(1)受试验弹的体积所限，整个电路的体积要小。

(2)要求信号调理电路的功耗要小。

(3)在强冲击环境下电位器可靠性比较差，电路中不能使用电位器。

对于压阻式传感器，电桥电路有恒流源和恒压源两种供电方式，考虑到电路的功耗问题，我们选用电路结构简单，并且所需器件比较少的恒压供电方式。(www.xing528.com)

由于强冲击加速度传感器的量程达15 万g，灵敏度在1 μV/g(10 V 恒压激励)左右，因此，经过一级放大就能达到后面的A/D 变换电路的要求。为了实现低漂移、低噪声、高增益和增益稳定性、高线性度、高共模抑制比和高输入阻抗，运算放大器的性能指标是至关重要的。基本差动放大电路存在输入阻抗低、运算精度受电阻匹配程度影响及放大倍数调节困难等问题，不适合我们的需要。为此，在设计中，采用高性能的仪表放大器。仪表放大器的高输入阻抗保证了电桥输出仅与桥臂电阻变化率有关，而桥臂电阻阻值的大小对输出影响较小，可适用于各种不同阻值的传感器。通过分析现有的一些仪表放大器，我们选用了美国生产的INA118 仪表放大器。该放大器具有宽的工作电压范围( ±1.35 ～±18 V)，最大工作电流仅为350 μA，最重要的是该放大器有很高的增益带宽(G =100 时，带宽为70 kHz)，其最大失调电压为50 μV，最大温漂为0.5 μV/℃，最大失调电流为5 nA，最小共模抑制比为110 dB。该器件通过脚1 和脚8 之间外接电阻RG 来实现不同的增益调节，传感器信号调理电路如图6-32 所示。

图6-32 传感器信号调理电路

电路包括以下几个部分：电阻RG1、RG2用来调节电路的增益；电阻R1 、R2 和R3 采用并联的方式调节传感器的输出零点；R4 和R5 用来调节放大器的输入共模电压，使输入共模电压小于供电电压1.25 V 左右，从而使它有较理想的抑制比；电路的末端是一阶无源低通滤波器，截止频率为100 kHz。