五邑大学本科毕业设计
图2-3 惠斯顿电桥
2.2.2传感器的仿真分析
硅衬底上力敏元件构成惠斯顿电桥，为使传感器具有较高输出灵敏度，力敏元件条在硅衬底上面的位置显得格外重要，下面采用有限元分析对传感器轴对称模型进行仿真，确定力敏元件的最佳位置。有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)是对物理现象的模拟，是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格，求解有限数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 本结构是轴对称结构
[5]，所以只用取一半模型进行分析即可，传感器各基本参数为:
宽度 b/?m 1000 厚度b/?m 20 晶片厚度?m 650
材料属性为: 基体Si：
杨氏模量/N?m?2 1.8×1011 柏松比 0.28
下图是传感器模型的仿真结果：
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图2-4 X轴方向的压力 图2-5 Y轴方向的压力
上面简单分析了压阻式压力传感器的工作原理和结构并对队轴对称模型进行了仿真分析，得出了使传感器的灵敏度最大化时力敏元件在硅衬底上面的最佳位置。
2.3放大电路模块
组成放大电路必须遵循的原则：
（1）提供直流电源，以作为电路输出能源和设置合适的静态工作点。
（2）电源的极性和大小应保证BJT基极与发射极之间处于正向偏置，VBEQ>Von；而集电极与基极之间处于反向偏置；使BJT工作在放大区。对于场效应管放大电路，则应使之工作在恒流区。
（3）电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流。 （4）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。
（5）当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流（BJT的DIC或场效应管Did）能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。
共射放大电路的组成遵循放大电路的组成原则，电路由三极管、Rb、直流电源VBB 、耦合电容Cb1、RC、耦合电容Cb2、RL等组成。如下图：
iCcbACb1++ViVaa12V-Rb300K+Cb2+BTeRC4KVCC12ViEORL v-
图 2-6 共射放大电路
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三极管是整个电路的核心，起放大作用。直流电源VBB通过基极电阻Rb为三极管发射结提供正向偏置电压，并为基极提供所需的偏置电流Ibc耦合电容Cb1将Vi送入输入回路。电源电压Vcc，通过RC为三极管发射结提供反向偏置电压，Cb2对交流信号而言，呈现的容抗很小，它将放大后的信号传送给负载RL 。
ACb1++ViVbb12V-Rb300KiCiB+cb+Cb2+BTeRL4KVCC12V-
VBEiE- 图2-7 静态工作点分析图 图2-8 电压变化图 静态：当 Vi=0路处于静态，电路的电量均为直流量。 直流量: IB、IC、VCE为静态工作点。
动态：有正弦电压Vi加入时，电路处于动态。电路中电量为交、直流叠加。
iB?IB?ib ic?Ic?bib
vCE?VCE?Vce VCE?Vcc?icRc
静态：在图1所示共射极基本放大电路中，当vi=0时，电路处于静态，电路中各处的电压、电流都是直流量：IB、IC和VCE。这些电流、电压的数值称为静态工作点（用Q表示）。静态工作点必须采用放大电路的直流通路来分析、计算IB、IC和VCE。
v动态：当有正弦电压i加入时，电路处于动态。此时电路中既有直流电量，也有交流电量，基极总电流iB?IB?ib，集电极总电流ic?Ic?bib，总量vCE?VCE?Vce，由于
iVCE?Vcc?icRc，因此当c在集电极电阻RC上的电压增加时，管压降vCE必然减小，反之则增大。由此可看出共射电路国输出电压与输入电压是反相的。动态一般用放大电路的交流通路（交流电流流通的途径）分析。
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从以上分析可得如下结论：共射极基本放大电路的电压放大作用是利用了BJT的电流控制作用，依靠RC将电流的变化转为电压变化来实现的。
直流通路:在直流电源作用下直流电流流经的通路，它用于研究静态工作点。画直流通路：①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但应保留其内阻。
交流通路:输入信号作用下交流信号流经的通路，它用于研究动态参数及性能指标。画交流通路：①容量大的电容视为短路，②直流电源视为短路。
在三极管的放大电路中，要画出小信号等效电路之后，就可以用解线性电路的办法求
???解。在已知输入电压Vi的条件下求出基极电流Ib，然后又落实到输出回路上，利用Ib求???出Ic及V0，从而最后求出电压增益Av公式如下：
????Vi Ib? ，Ic??Ib， V0??IcR'L ，R'L?Rc‖RL
rbe??由上式可得到电压增益Av：
??Av??V0Vi???IcR?'LIbrbe???IbRLIbrbe???R'Lrbe
??'?下图是用Protel画的电路图：
图 2-9 放大电路Protel图
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放大电路工作时各电极电流和电压都是在静态直流量的基础上叠加一个交流成分。放大电路静态工作点直接影响到放大电路的性能，静态工作点设置过低或过高都会使放大电路动态范围减小，使得输入信号较大时输出信号产生截止或饱和失真。所以在本设计中用了一个放大芯片LM358进行放大，它的放大系数大约100倍，能将传感器产生的0～5mv的电压放大，范围0～5V。
2.4放大芯片LM358
本设计的传感器产生的电路比较微小，用三极管NPN作为放大元件有一定的技术难度，原因：①传感器信号比较微小，三极管的内阻大；② 三极管静态工作点直接影响到
放大电路的性能。所以放大电路要用放大芯片LM358来实现。
2.4.1 LM358的概述
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
2.4.2 LM358特性
? 内部频率补偿
? 直流电压增益高(约? 单位增益频带宽(约
100dB) 1MHz)
? 电源电压范围宽：单电源(3—30V) ? 双电源(±1.5—±15V) ? 低功耗电流，适合于电池供电 ? 低输入偏流
? 低输入失调电压和失调电流 ? 共模输入电压范围宽，包括接地 ? 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 ? 输出电压摆幅大(0
至Vcc-1.5V)
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