百伏级静电驱动单元的理论设计和实验研究

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高精度空间惯性传感器是空间引力波探测的核心技术之一,其敏感轴在测量频段内的加速度噪声扰动需达到10-15m?s~2?Hz1?2量级。惯性传感器硬件电路主要包括位移传感和静电反馈单元,敏感探头主要包括电极框架和检验质量,研究表明千克级检验质量初始释放的扰动速度可达10-6m?s量级,为了实现检验质量保持在电极框架中心位置,此时需要百伏级的静电驱动电压才能实现捕获控制。本文即针对百伏级静电驱动单元的方案设计和实验验证展开研究,取得的主要成果如下。首先,完成了天琴计划高精度空间惯性传感器静电驱动单元的主要需求指标论证。在此基础上,提出了基于常压运放和高压三极管分立器件集成的设计方案:通过量程切换兼顾高精度空间惯性传感器捕获模式(30倍放大)和科学模式(6倍放大)的要求。本文详细研究了电路的整体设计方案,其中选用自稳零与斩波稳定组合型运放以抑制电路的低频1/1)噪声;选用高精度且温度系数小于50 ppm?C°的电阻以获得高稳定放大倍数;使用并联电压负反馈以稳定电路的放大倍数;选用等效输入电压噪声谱密度是10-8V?Hz1?2量级的双极结型晶体管以降低高压单元的噪声。其次,在满足电路设计结构下,具体深入研究了两种结构的电路,其中一种电路具有非对称的晶体管组合结构,而另一种电路具有对称的晶体管组合结构。本文对这两种电路进行了详细的传递函数分析和低频噪声分析,结果表明两种电路在两种量程下的理论截止频率都是1.6 k Hz,且两种电路在两种量程下的理论本底噪声在1m Hz处都小于10μV?Hz1?2。最后,完成了两种电路的实验测试与验证,结果表明在供电±150 V时,两种电路带宽的截止频率均是1.6 k Hz,当增益是6倍时,非对称式晶体管结构电路的本底噪声在1 m Hz处达到1.35μV?Hz1?2,对称式晶体管结构电路的本底噪声在1 m Hz处达到1.36μV?Hz1?2,当增益是30倍时,两种电路的最大输出电压均能达到±146.3 V。
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