宋冬雪，薛晨陽，王瑋冰，何 鑫，孟如男

（1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2．中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;3．江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇無錫 214315）

0 引言

紅外傳感器在工業(yè)控制、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源探測(cè)、軍事偵察和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用，集成化、微型化紅外探測(cè)系統(tǒng)正成為發(fā)展趨勢(shì)。

一般來說，與IC工藝兼容會(huì)對(duì)紅外傳感器的材料、器件結(jié)構(gòu)、加工工藝提出限制，這些使傳感器性能受到一定的損失，造成輸出信號(hào)較小，采用片上集成專用放大器就可以有效提高信噪比，從而提升器件性能［1］。

目前，針對(duì)熱敏MEMS器件的片上集成專用放大器的研究很少，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)所研制的傳感器讀出電路中對(duì)前置放大器的設(shè)計(jì)并不十分重視，大多數(shù)針對(duì)放大器的研究都是基于對(duì)某一方面性能的提高，忽視了其在應(yīng)用中的實(shí)際價(jià)值。

MEMS尺度的縮小，集成化程度的提高，會(huì)導(dǎo)致工序增多，成本提高［2］。因此，建立種類豐富、功能正確優(yōu)良的IP庫(kù)有助于提高片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）的設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)［3］。近年來，一些關(guān)于建立MEMS專用IP的相關(guān)理論已經(jīng)被提出，但大多數(shù)研究都是針對(duì)MEMS器件本身的結(jié)構(gòu)和工藝部分，本文針對(duì)與IC兼容的熱敏MEMS器件的讀出信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分別符合高增益、高精度、高速度等不同性能要求的通用放大器，為建立與CMOS工藝兼容的熱敏MEMS器件前置放大器的IP庫(kù)做了前期準(zhǔn)備。

1 信號(hào)參數(shù)提取

通過對(duì)現(xiàn)有熱敏MEMS產(chǎn)品的調(diào)研，對(duì)不同應(yīng)用的紅外熱電堆傳感器讀出信號(hào)的典型值總結(jié)如表1。

表1 紅外熱電堆傳感器讀出信號(hào)典型值tab 1 Typical value of output signal of infrared thermal sensor

由表1可知，在安全/探測(cè)領(lǐng)域，傳感器輸出信號(hào)大，信噪比較高，其對(duì)前置放大器的增益要求不高，因此，可以注重提高噪聲或線性度等其他方面性能;在醫(yī)療測(cè)溫領(lǐng)域，傳感器輸出電壓小，需要高增益高精度的前置放大器;在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域，環(huán)境噪聲很大，信噪比較小，對(duì)前置運(yùn)放的要求是超低噪聲和快速響應(yīng);在定位領(lǐng)域，由于其常用在車輛監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)物體的探測(cè)與分析中，其主要的要求是芯片面積小、功耗低以及不匹配率低。

2 基本電路結(jié)構(gòu)

2．1 套筒式共源共柵

套筒式共源共柵運(yùn)放的主要特點(diǎn)是:增益高，頻率特性好，由于只有兩條電流支路，在所有結(jié)構(gòu)中功耗最低。但共模輸入范圍和輸出擺幅小，基本結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1中給出的運(yùn)放的低頻小信號(hào)電壓增益為

雖然套筒式結(jié)構(gòu)顯著地增大了電路的輸出電阻，從而極大地提高電路的增益，但因在電源與地之間層疊了5個(gè)晶體管，輸出擺幅和共模輸入范圍受到了限制。

2．2 折疊式共源共柵

圖2中給出折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)［4］，與圖1中的結(jié)構(gòu)相比，輸入管用相反型號(hào)的晶體管因?yàn)樵谳斎牍苌喜⒉粚盈B一個(gè)共源共柵管，因此增大了輸入電壓范圍。折疊式運(yùn)算放大器的低頻小信號(hào)增益為

雖然折疊式結(jié)構(gòu)比套筒式結(jié)構(gòu)有著更大的輸入共模電平范圍，但是，是以減小增益和增大功耗以及提高噪聲為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 常用套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)Fig 1 Conventional telescope-feed cascode structure

圖2 常用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)Fig 2 Conventional folded-cascode structure

2．3 CMOS 線性跨阻結(jié)構(gòu)［5］

圖3顯示了用電阻實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)器的更好方法，具有的優(yōu)點(diǎn)就是不消耗額外電流，也不增加共模節(jié)點(diǎn)。輸出電流限制在偏置電流Iblas的80%以內(nèi)時(shí)，跨導(dǎo)gmtot是一個(gè)常數(shù)（變化量在1%以下）。

圖3 線性跨阻器Fig 3 Linear transimpedance

通過線性晶體管M2的應(yīng)用，可以使晶體管M3線性化［6］。晶體管尺寸的比值決定了衰減因子，同時(shí)也減小了失真，增大了連接成二極管形式的M3管源級(jí)之間的差分電阻2Rind，因此，總的電壓增益也有所增加。

2．4 兩種共模反饋結(jié)構(gòu)

在全差分運(yùn)放中，2個(gè)輸出端的輸出共模電平不能通過差動(dòng)反饋來達(dá)到穩(wěn)定，且對(duì)器件的特性和失配比較敏感。要使運(yùn)放能夠穩(wěn)定地工作，必須用共模反饋電路來穩(wěn)定兩輸出端共模電平。

2．4．1 雙差分對(duì)共模反饋

雙差分對(duì)共模反饋電路如圖4，其原理［7］為:當(dāng)運(yùn)放的兩輸出共模電平降低時(shí)，M3，M6兩支路電流增加，由于Vb3，Vb4電壓不變，M7，M8的電流也不變，所以，M4，M5的電流會(huì)減小，M1的電流也減小，則反饋回運(yùn)放的VCMFB端電壓也減小;降低套筒式主運(yùn)放尾電流源的電流，使輸出共模電平升高，從而抑制輸出共模電平的變化。

圖4 雙差分對(duì)共模反饋電路Fig 4 Coupled differential pair common-mode feedback circuit

該結(jié)構(gòu)通過增加晶體管的數(shù)量，形成雙差分結(jié)構(gòu)，以提取共模信號(hào)，并與基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生共模反饋信號(hào)，避免了通常使用線性電阻提供共模反饋電壓對(duì)增益的影響。

2．4．2 開關(guān)電容共模反饋

電路如圖5，其原理［8］為:在時(shí)鐘CLKA為高電平期間，電容CC被預(yù)充電到偏置電壓Vbais（由一個(gè)二極管連接的晶體管產(chǎn)生）。在CLKB為高電平期間，CS和CC并聯(lián)，并在CC上確立一個(gè)DC補(bǔ)償電壓。該補(bǔ)償電壓增加到輸出共模電壓Vref。以致CMFB能精確控制電壓Vcom。

開關(guān)電容CMFB完成了共模負(fù)反饋的全部功能，不需要另外的比較器，占用較小的芯片面積，具有很好的穩(wěn)定性能，并且不會(huì)對(duì)電路的輸出擺幅造成影響，同時(shí)，動(dòng)態(tài)開關(guān)電容不消耗額外的功率，但它需要兩相非交疊時(shí)鐘。

圖5 開關(guān)電容共模反饋電路Fig 5 Switch capacitance common-mode feedback circuit

3 電路設(shè)計(jì)和仿真

MEMS傳感器接口電路對(duì)前置放大器的要求［9］是低噪聲、低失調(diào)，僅僅根據(jù)放大器本身是無法滿足要求的。一般要通過運(yùn)用特殊的電路技術(shù)來降低噪聲與失調(diào)，目前常用于處理傳感器接口信號(hào)的電路技術(shù)主要有斬波技術(shù)，相關(guān)雙采樣技術(shù)和自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)。本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)放可用于不同技術(shù)模式的通用電路模塊中。

以下設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)均采用全差分輸入，輸出端采用共模輸出電壓反饋，在設(shè)計(jì)的過程中，盡量減少噪聲和失調(diào)，與其他性能進(jìn)行了較好的折衷。

3．1 高增益與高精度運(yùn)放

該電路［10］整體設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 高增益與高精度運(yùn)放電路Fig 6 High gain high precision amplifier circuit

基于CSMC標(biāo)準(zhǔn)0．5μm CMOS工藝，Cadence軟件仿真環(huán)境下，對(duì)電路進(jìn)行了多次仿真和調(diào)整。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的套筒式運(yùn)算放大器在5V電源電壓和2pF負(fù)載下，開環(huán)增益為84．65dB，相位裕度68．9°，單位增益帶寬 74．5MHz，仿真結(jié)果如圖7。

圖7 套筒式共源共柵運(yùn)放仿真結(jié)果Fig 7 Simulation results of telescope-feed cascode operational amplifier

由仿真結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增益和穩(wěn)定的相位裕度以及較寬的帶寬。根據(jù)其特點(diǎn)，可以將其用于醫(yī)療測(cè)溫領(lǐng)域的紅外傳感器中。

3．2 高速運(yùn)放

該電路整體設(shè)計(jì)如圖8。

同樣，基于 CSMC0．5 μmCMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝，對(duì)此電路進(jìn)行直流和交流仿真。仿真結(jié)果如圖9所示。

在5 V電源電壓，無負(fù)載條件下，電路的開環(huán)增益為70．82 dB，相位裕度為 67．8°，單位增益帶寬為 136 MHz。該開關(guān)電容共模反饋高性能放大器通常用pipelined ADC中，但由于其低功耗，低頻性能好，且?guī)捄軐?，意味著響?yīng)速度快，可用于火災(zāi)探測(cè)、運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)等領(lǐng)域的紅外傳感器中，也可以用于運(yùn)用相關(guān)雙采樣（correlated double sampling，CDS）技術(shù)消除失調(diào)的傳感器中。

圖8 高速度運(yùn)放電路Fig 8 High speed operational amplifier circuit

圖9 高速運(yùn)放交流仿真結(jié)果Fig 9 AC simulation results of high speed operational amplifier

3．3 帶有線性跨導(dǎo)器的運(yùn)放

傳統(tǒng)的放大器具有很高的增益，但需要精確地?zé)o源元件來構(gòu)成反饋。然而低成本的CMOS工藝不提供精確的電阻電容，該放大器不需要無源元件構(gòu)成的反饋即能實(shí)現(xiàn)精確地放大。

電路［11，12］整體設(shè)計(jì)如圖 10。

圖10 帶有線性跨導(dǎo)器的運(yùn)放Fig 10 Operational amplifier with linear transconductance

在同樣的工藝條件下對(duì)其仿真，仿真結(jié)果如圖11。

該電路實(shí)現(xiàn)開環(huán)增益為26．59 dB，單位增益帶寬為47．2 MHz，相位裕度為57°，對(duì)傳感器的微弱信號(hào)初步放大到mV級(jí)，方便后續(xù)濾波電路進(jìn)行處理，符合要求。該放大器一般用于運(yùn)用斬波技術(shù)降噪的接口電路中。

圖11 帶有線性跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)的交流仿真結(jié)果Fig 11 AC simulation results with linear transconductance structure

根據(jù)熱敏MEMS器件的具體要求，給出選擇使用的方案如表2。

表2 結(jié)果和應(yīng)用方案Fig 2 Results and application scheme

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的高性能前置放大器，通過反復(fù)的仿真驗(yàn)證，證明其性能優(yōu)異，并給出了具體的應(yīng)用方案。提出了建立與CMOS工藝兼容的熱敏MEMS器件界面電路前置放大器的IP庫(kù)的概念，為后續(xù)電路設(shè)計(jì)人員提供了良好的設(shè)計(jì)思路。

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