可实现增益、带宽独立调控的低噪声微弱信号检测接口电路

1.本发明属于传感器接口电路技术领域，尤其是涉及mems谐振式传感器i-v转换接口电路设计，特别是一种可实现增益、带宽独立调控的低噪声微弱信号检测接口电路。


背景技术：

2.微弱信号是幅值非常微小或是容易被环境噪声所掩盖的信号。在各个领域的实际工程中存在着许多的微弱信号，这些信号出现的背后通常包含着大量的信息，因此，对微弱信号的检测变得尤为重要。
3.大多数微弱信号的采集工作是利用各种适配的传感器实现采集工作并将其转化为电流量或者电压量。例如光电传感器就是将光信号转换成微弱电信号，进而完成对被测光信号的标定；同样精密力传感器是将被测力信号转换成微弱电信号进而完成标定；包括高精度位移传感器、声波传感器等大部分都是输出微弱电信号完成标定。在对信号检测的过程中，如何识别信号的特征参数是关键内容，其依赖于所采集到的信号质量。因此通常需要对采集后的信号实施进一步的处理。
4.对于微弱检测电流信号，其值通常在na级别，极易受到噪声的干扰甚至会淹没在噪声中，检测较为困难，因此低噪声前端放大接口电路是保证精密传感器测量精度的关键。然而传统的前端放大器难以解决增益、带宽、噪声、功耗等指标的制约。例如，开关电容式前端放大器存在噪声混叠现象。同时由于寄生电容的存在，单级或多级传统跨阻式放大器则难以解决带宽、增益和噪声之间的矛盾。从而，前端接口电路的设计是一大挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种同时具备高增益、高带宽、低噪声的微弱信号检测接口电路。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种同时具备高增益、高带宽、低噪声的微弱信号检测接口电路，该电路包括串联的两级放大拓扑，第一级为t型放大拓扑，第二级为跨阻放大拓扑。
7.进一步地，所述t型放大拓扑包括第一电容、寄生电容、伪电阻、第一跨导放大器以及两个外接电阻；第一电容与伪电阻并联，且与两个外接电阻构成t型拓扑结构接于第一跨导放大器负输入端和输出端之间作为反馈回路，第一外接电阻的一端连接第一电容，同时通过第二外接电阻连接第一跨导放大器的输出端，另一端接地；第一跨导放大器的负输入端通过寄生电容接地，并连接输入检测电流i
in
，正输入端接地。
8.进一步地，所述跨阻放大拓扑包括第三电容、电阻、第二跨导放大器，第三电容和电阻并联接于第二跨导放大器负输入端和输出端之间作为反馈回路；所述第二跨导放大器的正输入端接地，输出端输出电压v
out
。
9.进一步地，所述t型放大拓扑和跨阻放大拓扑之间通过第二电容相连，且第二电容接于第一跨导放大器输出端和第二跨导放大器负输入端之间。
10.进一步地，所述伪电阻采用mos管伪电阻，其阻抗rb与第一电容在工作频率点的阻抗的关系为rb＞＞r1。
11.进一步地，所述两个外接电阻的阻值相同。
12.进一步地，所述第三电容在工作频率点的阻抗与电阻的阻抗rf的关系为
13.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
14.1)可通过提高r2/r1、c2/c1的比值提高增益而无需增大rf，电阻rb和电容cc可单独调整带宽，极大地解决了增益、带宽与噪声之间的制约问题。
15.2)该电路可实现极低的等效输入电流噪声，大大提高了检测电流信号的信噪比。
16.3)本发明也为同领域内的其他技术方案提供参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与微机电传感器有关的技术方案中，具有很高的使用及推广价值。
17.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
18.图1为本发明接口电路示意图。
19.图2为本发明接口电路噪声分析图。
具体实施方式
20.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
21.在一个实施例中，结合图1，提供了一种可实现增益、带宽独立调控的低噪声微弱信号检测接口电路，该电路包括串联的两级放大拓扑，第一级为t型放大拓扑，第二级为跨阻放大拓扑。
22.所述t型放大拓扑包括第一电容c1、寄生电容cp、伪电阻rb、第一跨导放大器ota1以及两个外接电阻r1、r2；第一电容c1与伪电阻rb并联，且与两个外接电阻r1、r2构成t型拓扑结构接于第一跨导放大器ota1负输入端和输出端之间作为反馈回路，第一外接电阻r1的一端连接第一电容c1，同时通过第二外接电阻r2连接第一跨导放大器ota1的输出端，另一端接地；第一跨导放大器ota1的负输入端通过寄生电容cp接地，并连接输入检测电流i
in
，正输入端接地。
23.所述跨阻放大拓扑包括第三电容cc、电阻rf、第二跨导放大器ota2，第三电容cc和电阻rf并联接于第二跨导放大器ota2负输入端和输出端之间作为反馈回路；所述第二跨导放大器ota2的正输入端接地，输出端输出电压v
out
。
24.进一步地，在其中一个实施例中，所述t型放大拓扑和跨阻放大拓扑之间通过第二电容c2相连，且第二电容c2接于第一跨导放大器ota1输出端和第二跨导放大器ota2负输入端之间。
25.进一步地，在其中一个实施例中，所述伪电阻rb采用mos管伪电阻，其阻抗rb与第一电容c1在工作频率点的阻抗的关系为rb＞＞r1。
26.进一步地，在其中一个实施例中，所述两个外接电阻r1、r2的阻值相同。
27.进一步地，在其中一个实施例中，所述第三电容cc在工作频率点的阻抗与电阻rf的阻抗rf的关系为
28.从输入检测电流到tia第二级输出电压的传递函数可以表示为：
[0029][0030]
该传递函数具有带通特性，在低截止频率ω
l
和高截止频率ωh之间的总等效跨阻抗增益a如下：
[0031][0032][0033][0034]
由上式可以观察到该接口电路的跨阻抗和带宽可以独立设置。因此，这两个参数之间的权衡问题就被解决了。
[0035]
以下通过对本发明接口电路的噪声分析进一步说明该电路的优势。
[0036]
如图2所示，本发明所提出接口电路中的噪声可以由6个不相关的噪声源建模，分别是运放电压噪声和各电阻的电流噪声。其在中频段输入电流噪声功率密度可计算为：
[0037][0038]
合理设计各电容电阻的大小以及运放的选型，最终设计可得到输入电流噪声功率密度为：
[0039][0040]
可知，提高r2/r1、c2/c1的比值不仅提高增益，还可以降低输入电流噪声。
[0041]
由此，实现本发明所述的可实现增益、带宽独立调控的低噪声微弱信号检测接口电路。
[0042]
综上所述，本发明所提供接口电路，可以满足的高性能mems微机电加速度计设计要求。此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与微机电加速度计有关的技术方案中，具有很高的使用及推广价值。
[0043]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0044]
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员成当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员以理解的其他实施方式。