毕业论文mems加速度信号处理电路研究设计.doc

摘 要摘 要 MEMS（Micro Electro Mechanical systems，即微电子机械系统）是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，其利用微电子技术和微加工技术制造各种性能优异的微型化传感器。加速度传感器是一种十分重要的力学传感器，随着现代科学技术(主要是MEMS技术)的发展，加速度传感器出现了微型化、集成化的发展趋势。信号处理电路是加速度传感器设计需要考虑的一个重要方面，集成化要求信号处理电路和加速度传感器单片集成。飞行器的加速度可以利用MEMS电容来表征，但该电容仅在pF量级，对应加速度变化的电容变化量就更小了。本文针对一个差分电容式闭环加速度传感器设计了它的信号处理电路，主要包括信号的检测、滤波与放大。通过对传统电路的改进消除了寄生电容和失调电压的影响，重点分析了噪声的影响并设计了一个低噪声放大器，同时应用开关电容技术，更好地抑制噪声和易于系统集成。最终微电容信号处理电路能检测到fF量级的电容变化。关键词: 加速度传感器 MEMS 差分电容 MOS开关 微小信号检测 低噪声放大器ABSTRACT MEMS（Micro Electro Mechanical systems）is a technology of forward position based on Micro/Nano technology. It uses microelectronic technology and micromachining to manufacture all kinds of excellent micromation sensor. Acceleration sensor is a key mechanical quantity sensor. As the development of the modern science and technology especially the MEMS technology, there is the tendency of accelerometer is micromation and integration. Signal processing circuit is a important facet of design accelerometer. Integration need integrate signal processing circuit and accelerometer sensor in a chip. The acceleration of aerocraft can use MEMS capacitance to depict, but this capacitance is only on pF level. The variation of capacitance corresponding acceleration is more littler. This paper design the signal processing circuit for a differential capacitive closed loop acceleration sensor, it including detect of the signal, wave filtering and amplify. By way of improving the traditional circuit, we cancel the influence of offset voltage and parasitic capacitances. We mainly analyze the noiseeffection, and design a low noise amplifier. In the meantime we used the switched capacitor technology, because it is good for restrain the noise and integration. At last, the signal processing circuit can detect the fF level change of capacitance.Keywords: acceleration sensor MEMS differential capacitive MOS switch very small signal detect low noise amplifie目 录 i目 录第一章 绪 论 11.1 MEMS系统概述11.2 MEMS加速度计11.2.1 MEMS加速度计的产生与分类11.2.2 国内外MEMS电容式加速度计的研究现状21.3 本论文的主要工作和内容安排4第二章 加速度计工作原理和微电容信号处理电路结构52.1 电容式加速度计工作原理52.1.1 MEMS电容式加速度计的工作原理52.1.2 电容的改变方式52.1.3 MEMS加速度计选择差动电容的理论依据62.2 加速度传感器部分的等效电路72.3 微电容信号处理电路整体结构9第三章 低噪声放大器的设计113.1 噪声源113.1.1 CMOS电路的噪声源113.1.2 电容位移检测前端的噪声源和寄生元件123.2 低噪声放大器的设计考虑143.2.1 传统的用于电容检测的前置放大器143.2.2 改进的低噪声放大器163.3 完整的低噪声放大器结构163.3.1 放大器的输出级和补偿网络173.3.2 低噪声放大器的整体结构17第四章 微电容信号处理电路设计194.1 电荷检测前置放大电路194.1.1 传统的电荷检测前置放大器194.1.2 改进的电荷检测前置放大电路204.2 开关电容技术214.2.1 简单的采样开关214.2.2 开关中的非理想因素224.2.3 改进的采样开关224.3 外围电路设计23第五章 电路仿真分析275.1 低噪声放大器仿真分析与特性测试275.1.1 低噪声放大器的仿真分析275.1.2 低噪声放大器特性指标的仿真测试285.1.3 低噪声放大器的性能指标355.2 信号处理电路仿真365.2.1 外围电路仿真365.2.2 微电容信号处理电路的仿真39第六章 结束语41致谢43参考文献45附 录 A47附 录 B51 第一章 绪论 3第一章 绪 论1.1 MEMS系统概述 微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems，英文缩写成MEMS)技术是在微电子和微机械技术基础上发展起来的一门多学科交叉技术。它包括微传感器、微执行器、信号处理和控制电路等，其外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成的原件尺寸在微米纳米量级，能完成大尺度电子机械系统所不能完成的工作，从而极大地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。早在1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德.p.费曼博士首次提及了微机械的概念，并预言了人类在微小领域将会有前所未有的巨大作为。1987年，美国的U.C .Berkeley率先研制出直径为100m的硅微马达，引起世界极大轰动，标志着MEMS雏形的出现。1993年，美国ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。MEMS是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许点，同时又集成了多种学科发展的尖端成果。MEMS具有以下特点:(1)微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低；(2)以硅为主要材料，机械电气性能优良；(3)可批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机械部件或完整的MEMS，批量生产可以大大降低生产成本；(4)集成化:微传感器、微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的MEMS；(5)多学科交叉:MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科。 1.2 MEMS加速度计1.2.1 MEMS加速度计的产生与分类MEMS加速度计是一种以硅为主要材料的微加速度计,它的研究与开发始于60年代末70年代初。1977年美国Standford大学在世界上率先采用微加工技术在硅片上制造出了一种开环硅加速度计，标志着MEMS加速度计的诞生。80年代后期，考虑到加速度计的测量范围以及线性度问题，人们开始研究各种闭环式(力反馈式)微硅加速度计，通过反馈使加速度计保持在平衡状态下测量加速度。MEMS加速度计有多种分类方法，按敏感信号方式分类，可分为微型电容式、微型压阻式、微型压电式和微型隧道电流型加速度计等。基于硅的压阻效应进行加速度检测的压阻式加速度计原理简单，在硅基上做出压敏电阻，受到加速度激励时电阻产生形变，电阻大小改变，通过检测电路检测电阻的变化可求得输入加速度的大小。其加工工艺简单，测量不需要复杂的电路接口，但是其温度效应严重，灵敏度较低。基于硅的压电效应进行加速度检测的压电加速度计具有体积小，频率范围宽，坚固、稳定、价格便宜等优点，但不利于批量制作，泄漏率高，长时间耐冲击的测量效果差。90年代后出现的利用扫描隧道显微镜(Scanning Tunnel Microscope, STM)的原理进行加速度检测的隧道式加速度计，灵敏度可以达到l09 g，温度效应小，可靠性高，线性度好，但加工难度大，成品率很低。当前这种微加速度计实际应用的技术还不成熟。为了提高灵敏度，满足军民多方面的需要，产生了MEMS电容式加速度计(MEMS Capacitive Accelerometer)，它是目前得到最广泛应用的微加速度计。这种加速度计是基于电容变化的原理来检测输入加速度的大小。同压阻和压电式器件相比有许多独特的优势，如有较好的信噪比，可靠性好，受磁场的干扰小，高灵敏度，低漂移和低温度灵敏度等，所以比较起来MEMS电容式加速度计的综合性能最好。尤其是在要求有较高测量精度和分辨率的导航系统，MEMS电容式加速度计更是得到了广泛的应用。由于MEMS电容式加速度计的优点，因此对其进行研究具有重要的理论意义及应用价值。1.2.2 国内外MEMS电容式加速度计的研究现状MEMS电容式加速度计最先得到成功应用的是在汽车技术中。美国AD公司批量生产的ADXL50系列应用于汽车的安全气囊，其加速度计体积只有几毫米见方大小，售价仅为宏观加速度计的约1/10。该系统分为四个部分:质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，均被集成在3mm3mm的硅片上，其中机械部分采用表面微机械工艺制作。现在开环加速度计占据了低性能的应用市场，而闭环方式则使用在高性能领域。体微加工工艺和表面微加工工艺的MEMS电容加速度计都在使用，已经开发的四种主要用途的加速度计量程如下表1.1所示。表1.1 主要用途的加速度计量程用途量程用途量程惯性导航100g电子起搏器2g汽车防撞气囊50g地震检波器0.1g 国外研发的MEMS电容式加速度计的结构方案很多，如叉指式、悬臂梁式和三明治式等，已有许多系列产品:美国Analog Devices公司批量生产的ADXL50系列， Motorola公司的MMASGxx等。这些产品的量程为2100g，精度为满量程的1% 。电容式加速度传感器是利用在外加加速度的作用下，惯性质量块与检测电极间的狭小空隙发生改变从而所引起的等效电容的变化来测定加速度的。它也是目前研究最多的一类加速度传感器，具有很多优点:精度高、噪声特性好、漂移低、功耗低、结构比较简单等。国内开展微加速度计的研究最早始于1994年，“九五”期间才正式作为专题列入国家微纳米预研计划。目前国内研制MEMS加速度计的单位很多。如清华大学、北京大学、上海交大和航天771所等。国内的上海贝岭、华晶等集成电路生产线的引进和北大引进的MEMS器件加工工艺线等条件也为集成加速度传感器的研究奠定了良好的工艺基础。尽管如此国内在集成加速度传感器研究和产品开发方面目前尚处于空白状况，特别是是对于电容式加速度传感器的集成，我们离国外最新水平还有很大差距，特别是加工工艺的落后，使得许多设计的很好的加速度传感器实现不了，这也是国内研究单位目前普遍面临的难题。1.3 本论文的主要工作和内容安排MEMS（Micro Electro Mechanical systems，即微电子机械系统）是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，其利用微电子技术和微加工技术制造各种性能优异、微型化传感器、执行器、驱动器和微系统。飞行器的加速度可以利用MEMS的电容来表征，但该电容仅在零点几个pf量级。这为检测电容变化的接口电路设计带来了困难，我的毕业设计来源于的课题是研究设计电容式闭环加速度传感器的微电容信号处理电路。该电路具有微电容检测和电容量表征功能，对MEMS电容结构的反馈控制功能，最后实现信号的数字输出。关键技术是设计一个低噪声放大器。我毕业设计的主要工作是完成检测对应于加速度的微小电容变化并把检测到的信号放大到合适的水平, 我主要完成了这部分电路的设计并对其进行了仿真, ,我这部分电路是实现信号的获取和放大，其中包括了最关键的部分设计低噪声放大器。本文的主要内容如下:第一章，绪论主要介绍了MEMS系统和MEMS加速度计的基本情况，介绍了MEMS电容式加速度计的国内外研究现状，说明了本论文的主要目的，并对全文的工作做出了介绍。第二章，对MEMS电容式加速度计的工作原理进行了分析，并提出了我们的闭环加速度计的微电容信号处理电路的整体结构。第三章，设计了一个用于微电容信号处理电路的低噪声放大器。第四章，对检测微小电容变化的信号处理电路进行了研究设计。第五章，对前面所设计的微电容信号处理电路使用Hspice进行了仿真分析。第六章总结，总结了所设计的电路的特性，并就今后的进一步工作提出了自己的期望。 第二章 加速度计工作原理和微电容信号处理电路 9第二章 加速度计工作原理和微电容信号处理电路结构2.1 电容式加速度计工作原理2.1.1 MEMS电容式加速度计的工作原理MEMS电容式加速度计在进行加速度测量时，是通过检测电容的变化来进行加速度检测的。一般首先把加速度信号转化为位移信号，但由于输出位移太小，需要转换为电容变化信号，再把电容变化信号放大滤波并进行同步解调转化为直流电压输出，这种通过电信号间接测量加速度信号的方法，既避免了直接获取加速度信号的困难，又有利于通过电信号实现加速度的高精度测量。图2.1为电容式加速度计的工作原理示意图，当加速度a作用在传感器上时，产生的力使外极板发生移动，其中一个极板间距减小一个增大，构成两个差分电容，假设极板变化的间距为X，改变两个电容的极板间隙使电容的大小发生了改变，通过检测差分电容的变化量C，就可以得到输入加速度a的情况。图 2.1 MEMS电容式加速度计的原理示意图2.1.2 电容的改变方式由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，当假定电容极板间隙远远小于极板边长时，可以不考虑其边缘效应，其电容的近似计算公式为: (2-1)其中为两个极板介质的介电常数，S为两个极板相对有效面积，d为两个极板间的距离。由式(2-1)可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变两个极板间的间距d；其二为改变形成电容的有效面积S；其三为改变介质的介电常数。通过改变极板间的间距而改变电容进行加速度测量的称为变极距式电容加速度计，通过改变极板间相对有效面积而改变电容进行加速度测量的称为变面积式电容加速度计。微机械电容式加速度计一般不采用变介质式。由于电容极板的宽度远大于极板间距，在标称电容相同的情况下，变极距式结构的电容变化量远大于变面积式结构，变极距式电容加速度计的灵敏度也高于变面积式。变面积型加速度计由于边缘效应所产生的附加电容量与传感器电容量叠加，使输出特性呈现非线性。变极距型所测得的加速度与敏感位移不成线性，存在非线性问题，可采用差分型电容来改善，但不能完全消除。由于极板间距可以做得很小，加速度的输入灵敏度和分辨率可以达到很高的数值。因此电容式加速度计一般多采用变极距方式。2.1.3 MEMS加速度计选择差动电容的理论依据由于微机械尺寸很小，所以形成的位移和电容量都非常微弱。若敏感质量与固定电极只形成单边电容结构，则受环境干扰影响太大，得不到较高的精度。为提高精度，最重要的措施就是采用差动电容测量方式。差动测量的两个电容，由于在相同的环境下受到的外界干扰躁声基本一样，所以可以通过相减消除或抑制共模的环境变化因素影响，把绝大部分干扰躁声排除掉，并且可以改善变极距型电容加速度计的非线性问题，可以大幅提高信躁比，所以电容式微机械加速度计广泛采用差动电容结构。单电容传感器电容量为 （22）式中：0为真空介电常数；S为上F极板相互覆盖的有效面积；0为两平行极板间的距离。当外力使两极板间距发生变化时，引起电容的相对变化量为 （23）由式(23)可知，单电容传感器极板间距的相对变化量与电容的相对变化量是非线性关系。其非线性误差，忽略高次项后为 (24)电容传感器的灵敏度为 (25)差动电容传感器原理图见图2.2 。当传感器感受到外力后，中间电极产生位移，使C1、C2变化为 (26)忽略高次项，差动电容灵敏度 （27）其非线性 （28）从式(24)、式(25)、式(27)和式(28)可见，差动电容灵敏度提高一倍，而非线性大大降低，所以MEMS加速度计一般都选择差动电容结构。图 2.2 差动电容原理图2.2 加速度传感器部分的等效电路电容式加速度传感器的传感单元是通过改变电极间的间距引起电容的差分变化，来测量加速度信号的，图2.3是其等效电路图，其中传感单元的固定电极作为公共电极输出电信号，活动电极作为驱动端接驱动信号。在没有加速度输入时，假设固定电极与活动电极的间距都为d0 ，则等效电容C1、C2相同，当有外加加速度时，会引起活动电极和固定电极之间的空隙d0改变，使等效电容发生变化，即一个变大一个变小。通过施加驱动的电信号，将电容值的变化，转换为电压的变化，就可以表示加速度信号了。下面讨论差分电容式加速度传感单元的电压输出与输入的关系。图 2.3 传感器部分等效电路在没有加速度输入时，两固定电极与活动电极的间距都为d0，则必有C1= C2 = C0，当有外加加速度输入时，会引起活动电极和固定电极之间的空隙d0，改变d， 从而改变等效电容，使得C1C2。如果在活动电极上加上幅度相等，而相位不等的直流电压Vin = Vin+= Vin-时，可以得出公共电极（固定电极）上的输出电压V0为 （29）可见输出V0是等效电容值C0及加速度产生的电容变化值C的函数，经推导可得 （210）从公式（210）可以看出，输出与d0成反比，而与d及输入电压Vin成正比。当传感单元和信号处理电路连接时，会有寄生电容，在一般情况下，可以只考虑寄生电容Cp连接在差分电容输出的公共电极上时对系统的影响。如图2.3所示，通过分析推导，再考虑该寄生电容对输出的影响时，输出电压改写为 （211） 可见由于寄生电容Cp的存在使输出电压变小，寄生电容与连线的长短，材料的性质等因素有关，一般在0.51.5pf左右，与体硅工艺加工的加速度传感器的等效电容在一个数量级。因此对后面检测电容变化的接口电路设计提出了挑战。2.3 微电容信号处理电路整体结构MEMS电容加速度计有许多种分类。按加工方式有表面加工式、体加工式和LIGA加工式；按有无反馈信号有开环式和闭环式；按结构形式分类，可分为梳齿式、跷跷板摆式和三明治摆式；按敏感轴的数量分类，可分为单轴式、双轴式和三轴式。尽管微电容加速度计类型繁多，但目前较多的仍是开环单轴式加速度计。 如果在开环状态下，当加速度计有较大的加速度输入时，敏感质量块会发生相当大的位移，在极板之间产生很大的静电力，极易发生吸附效应。为了防止吸附，提高量程和线性度，人们于80年代后期开始研究各种闭环式加速度计。也就是引入闭环负反馈，即通过检测电容转换并经过一系列信号调理后，对固定极板或动极板施加解调得到的直流静电力，将偏移的质量块重新拉回到平衡位置近。闭环式加速度计又称为力平衡式加速度计、力反馈加速度计或伺服加速度计。闭环微电容式加速度计不同于开环加速度计，除了包括惯性敏感部分、信号传感电路和放大输出电路外，还包括调理控制电路即力反馈控制部分。惯性敏感部分由差动检测电容C1、C2构成，力矩反馈的作用是把所形成的电信号形成反馈电压产生反馈力加至敏感质量块来平衡敏感质量块的惯性力，反馈电压与位移信号成正比，所生成的静电反馈力与位移信号也成正比，而方向与惯性力相反，当二力平衡时，因为闭环回路的增益很大，响应时间快，所以敏感质量块的位移趋于0。而反馈力的大小代表了加速度的大小，因此可以用反馈力的大小作为加速度的度量。闭环加速度计由于采用了力反馈回路，该加速度计精度高，抗干扰能力强，体积较小、结构简单、牢固可靠，输出可以数字化，可以通过不同设计以满足不同性能和应用的要求，因此成为现在的研究热点。尽管开环加速度计的结构相对简单、体积小、成本低，但精度较低，为了提高测量飞行器加速度的精度我们采用闭环结构。我们研究设计的微电容信号处理电路就是针对个单轴闭环的加速度传感器。 MEMS电容式加速度计的基本原理是基于电容变化的原理，由于受加工工艺和体积的限制，敏感质量感受到的加速度位移所产生的电容变化量非常微弱，接近fF的量级，因此相应的信号检测电路对小电容必须具有足够的敏感能力。由于差动电容的容值很难测量，必须借助于信号处理电路把这微小变量转换为与其成正比的容易测量的物理量，如转化成为电压、电流或者频率等，这样才可以显示以及传输，其中最常用的是转化成电压进行测量。微小信号检测电路设计的优劣关系到MEMS加速度计的分辨率、输出漂移等多项精度指标。MEMS加速度计的信号处理电路比较复杂，图2.4是其信号处理电路的框图。在传感端MEMS差分电容感应到微弱电容变化信号，其先经过前端检测与放大，再经滤波器滤波并进一步放大，然后力反馈控制电路把所形成的电信号形成反馈电压并产生反馈力加至传感单元来平衡敏感质量块的惯性力，最后信号经过模数转换器实现数字输出。 图 2.4 闭环MEMS加速度计的微电容信号处理电路框图 下面两章将对我负责的前端检测与放大部分，滤波与第二级放大部分进行设计。首先设计一个用于前端检测的低噪声放大器，再设计其余的电路部分，并在第五章对设计的电路进行仿真。 第三章 低噪声放大器的设计 17第三章 低噪声放大器的设计 由于低噪声放大器是整个信号处理电路的关键部分，本章将就如何设计一个低频低噪声放大器进行讨论。因为加速度传感器所处的环境存在各种噪声，以及由于制造过程中的失配存在各种寄生效应。我们的MEMS电容式加速度计是利用体硅微加工技术和CMOS技术的结合把传感部分和电路部分做在一块硅片上，这样能减少许多寄生参数，采用差分电容结构也能消除或抑制大部分干扰和共模噪声，但是如果第一级检测放大器本身的噪声很大的话，就无法对微弱的信号进行很好的放大。众所周知，噪声对放大器是非常关键的指标。在大多数应用中，放大器的前面都会有感测组件，其后端则有ADC与处理器，这些组件共同构成一个典型的信号传输路径。由于放大器周边配置的外部组件会带来噪声，如果放大器本身的噪声也很大，那么对ADC而言噪声将会淹没有效信号，这样以来不管ADC 的分辨率与频宽有多少，它输出给处理器的就只有噪声。这极大地影响了系统的正常运作，这样也会为后级的ADC设计带来没必要的困难。因此本章的低噪声设计是整个系统的关键，首先介绍CMOS电路中的噪声源，然后介绍低噪声放大器的设计，最后给出经各种优化后所得到低噪声放大器。 3.1 噪声源3.1.1 CMOS电路的噪声源CMOS电路中有两种噪声源：热噪声和闪烁噪声（1/f噪声），例如电路中的电阻只产生热噪声没有表现出闪烁噪声，电阻的输入参考噪声均方根电压为 （31）k是玻尔兹曼常数，T是开尔文绝对温度，R是电阻值，f是测量噪声的带宽（Hz），但是MOSFET中的噪声由非相关的热噪声和闪烁噪声组成。MOS的输入参考噪声均方根电压（在f范围内）为 （32）f是频率,gm是跨导，W和L分别是沟道的宽度和长度，Kf是闪烁噪声系数。3.1.2 电容位移检测前端的噪声源和寄生元件图3.1显示了电容位移检测前端的噪声源和寄生元件。基于电容位移检测得到的加速度由下面等式给出: （33）其中Cs是检测电容，Cp是内部互连寄生电容，Cgs和Cgd分别是输入MOS晶体管栅到源的电容和栅到漏的电容，d是固定电极和移动的检测电极之间的距离，x是检测到的检测质量块的位移，Vm是振幅调制信号，n是传感器的机械振荡频率，a是需要被测量的加速度。图 3.1 电容位移检测前端的噪声源和寄生元件噪声来源于以下几种途径：CMOS电路中输入晶体管的热噪声，CMOS电路中输入晶体管的1/f噪声（闪烁噪声），偏置电路中二极管泄漏电流造成的射击噪声，调制信号的噪声和来自后面几级电路的噪声。调制噪声被全差动电容结构消除，由于电容的变化很小，电容不匹配造成的噪声泄漏可以忽略，输入晶体管的噪声往往控制着电路其它部分产生的噪声，因此在后面的讨论中后面两个噪声源被忽略。电路总的电压输入参考噪声功率谱密度（PSD）由下式给出 （34）其中Kt，Kf和Ks是由工艺参数和偏置条件决定的噪声系数，W和L是输入晶体管的沟道宽度和长度，Ileak是偏置二极管的漏电流，T是开尔文绝对温度，f是电路工作的频率，（34）式中在过饱和区对于长沟道MOS管1/2，对于短沟道MOS管1，晶体管工作在两种极限情况之间时1/21。由（33）式得电容式加速度计电路输入参考噪声功率谱密度（PSD）由下式给出 （35）因为MOS管的栅电容与沟道宽度成正比 （36）其中Lov是栅源、栅漏重叠距离，加速度本底噪声可以重新表示为 （37） 由等式（37）知电容式加速度计的输入参考本底噪声是工作频率和输入晶体管尺寸的函数。虽然可以增加输入晶体管的尺寸来降低热噪声和1/f噪声，但这增加了电容式传感器的寄生电容。第四章设计的前端电荷检测放大电路消除了寄生电容的影响，解决了这个矛盾。3.2 低噪声放大器的设计考虑由上面对噪声源的分析知，在设计电路时主要考虑如何降低热噪声和1/f噪声。为了以热噪声作为参考而对1/f噪声进行量化，我们在图3.2中同一坐标系中画出两个谱密度，把图中的交叉点对应的频率称为1/f噪声的“转角频率”，对于被闪烁噪声干扰得最厉害的频带部分，这个交叉点可以作为一种度量单位。对于亚微米晶体管其值落在500kHz到1MHz附近。 图 3.2 闪烁噪声转角频率的概念由于我们的信号处理电路工作在较低的频率（几十kHz），所以在电路设计中如何降低1/f噪声是关键，而1/f噪声与栅面积（WL）成反比，因此为了降低1/f噪声选用较大栅面积（WL）的MOS管，下面将围绕如何降低噪声开展电路设计。3.2.1 传统的用于电容检测的前置放大器 传统的电容检电路如图3.3，它对寄生电容不敏感，输出电压表达式为 （38）图 3.3 传统的电容检电路其中的前置放大器使用的是折叠式共源共栅结构的放大器如图3.4，它的电压增益是 （39）gmi和gmbi分别是Mi跨导和背栅跨导，roi是Mi的交流输出电阻。对于Mi它的gmi是 （310）这个电路的均方根输入参考噪声电压为 （311）图 3.4 折叠式共源共栅差分放大器在CMOS工艺中，P沟道增强型器件的闪烁噪声低于N沟道的，这是因为PMOS中载流子在沟道中流动时没有通过含有许多陷阱中心的区域，因此PMOS器件更适合做差分输入级。由等式(39),(310)和(311)知为了取得低噪声，栅上的面积必须较大，为了取得高的电压增益和低的热噪声MOS管的宽长比（W/L）必须较大，上述电路在这些方面做了一些改进如改用PMOS管作为差分输入，在一定程度上抑制了噪声。但是这种结构在低频时仍有较高的闪烁噪声。下面将围绕如何进一步降低噪声展开改进设计。3.2.2 改进的低噪声放大器因为MOSFET在低频频段的噪声主要是闪烁噪声，一个减少CMOS差分结构闪烁噪声的方法是增加晶体管的宽度和长度，因为MOSFET的低频噪声（闪烁噪声）与MOS管的沟道面积成反比。另一个方法是用电阻取代有源负载因为电阻几乎不产生闪烁噪声。电阻做负载的确提高了电路在低频段的噪声特性，但是电路不能获得较高的电压增益。考虑到即要噪声低又需要较高的增益，我们还使用了一个优化了噪声性能的输入缓冲级（ONIBS）放在折叠式共源共栅差分放大器之前作为输入级，这样即降低了噪声又增加了一级电路提供额外的增益。为了计算输入参考噪声电压必须把所有的噪声源转换到电路的输入端，为了降低起主导作用的低频闪烁噪声，一个ONIBS被用在主运放之前，电阻R1和R2取代了有源负载，它们在PMOS输入差分对的漏端不产生闪烁噪声，这样就减小了噪声。为了获得较高的电压增益并减小热噪声，我们使用大宽长比（W/L）的PMOS输入差分对Mv1-2和M1-2，同时为了使输入对Mv1-2的闪烁噪声较低我们选择大栅面积（WL）的PMOS管。带ONIBS结构的放大器的完整电路结构如图3.5 。 图 3.5 带ONIBS结构的放大器3.3 完整的低噪声放大器结构经过以上的优化和改进，放大器的噪声被极大的减少了，也取得了不错的电压增益。符合了低噪声的应用，这一节将探讨它的输出级和网络补偿。3.3.1 放大器的输出级和补偿网络为了进一步提高增益，输出级选用普通的共源级放大器，它结构简单、易于设计和调整也能提供较高的增益，有利于电路的调试和降低电路的功耗。为保证放大器在闭环应用条件下的稳定性，防止出现自激振荡，需要对放大器电路做频率补偿。常用的频率补偿方法有两种：主极点移动法和极点分离法。主极点移动法是通过把一个补偿电容并接在产生主极点的节点上，将主极点向低频端移动，以达到补偿的目的，而不改变其它极点频率。这种方法可以有效改变相位裕度，但是会降低3dB带宽和造成单位增益带宽的损失。极点分离法是通过在产生主极点和第二极点的节点之间接入一个补偿电容Cc，利用该电容的Miller效应，使主极点向低频端、第二极点向高频端移动，从而使两个极点相互分离以达到补偿的目的。这种方法在提高相位裕度的同时也会降低3dB带宽，但是可以减小单位增益带宽的损失。比较两种补偿方法，不难看出后者的补偿效果更加，因此决定采用该方法进行补偿。但是Miller补偿电容会Cc引入一个离原点较近的正零点，影响放大器工作的稳定性，通常的解决办法是再增加一个与补偿电容Cc串接的零化电阻R，当R适当取值时可以使零点消除或与第二级点抵消。通常我们希望零极点抵消以获得较大带宽，但是一般情况下是很难做到零极点完全抵消的，不过可以做到零极点距离很近，使它们的影响基本相互抵消，从而获得令人满意的补偿效果。对于我们的电路结构，差分输入级和共源输出级的输出节点是频率最低的两个极点，因此补偿网络应该接在放大器输出级的共源输出管的输入端和输出端之间，如图3.6所示，其中Cc为Miller补偿电容，R3为零化电阻，MOS管M15和M16构成的共源级放大器作为低噪声放大器的输出级。3.3.2 低噪声放大器的整体结构由以上设计可知这个低噪声放大器包括折叠式共源共栅差分放大器构成的主放大级，优化了噪声性能的输入缓冲级（ONIBS），输出级和频率补偿部分。整体的电路图如图3.7。图 3.6 输出级和补偿网络 图 3.7 低噪声放大器的电路图 低噪声放大器的偏置电路将在下一章设计，放大器的参数设计和放大器特性仿真测试将在第五章进行。第四章 微电容信号处理电路设计 25第四章 微电容信号处理电路设计上一章已经设计了用于信号处理电路中的低噪声放大器，本章将对检测微小电容变化的信号处理电路的设计进行研究。我们基于对传统电路结构的改进提出了一种结构简单，性能优异的前端微电容信号处理电路，并对其它外围电路也进行了优化设计。4.1 电荷检测前置放大电路第二章已经介绍了加速度信号是如何转化为电容变化，我们对这个差动电容施加幅度相同相位相反