高增益、低噪聲的石英陀螺計電荷檢測電路設計

張爾東++曹一江++崔倩

摘 要采用三級運放結構設計了一種專用于石英陀螺計中的高精度CMOS集成電荷檢測電路。整體電路在第一、二級運放中分別采用全差分輸出和輸入的結構，減小了整體系統(tǒng)的失調溫度系數和失調電壓值；其中，PMOS差分輸入和折疊式共源共柵結構為運放提供了較低的噪聲和較大的增益；自舉基準電流源及其啟動電路功能和新型反饋結構來進行頻率補償的方法提高了電路的精確度、增強了抗電源干擾能力、改善了電路的穩(wěn)定性。

【關鍵詞】石英陀螺計 電荷檢測 三級運算放大器

石英陀螺計是用于測量物體相對慣性空間轉動的角速度或角度的裝置，用來確定載體的方位或導航，在許多領域有著極為重要的應用。但是由于石英陀螺計受外界力的作用輸出的是交流電荷量信號，因此為信號的分析和提取帶來困難。所以需要高性能的信號轉換電路將微小的電荷量轉換為所需要的電壓信號，用于后續(xù)的放大、處理。

1 基本原理

石英陀螺利用敏感叉指和安裝在敏感叉指表面上的電極一起所構成的壓電轉換電路將振動的機械能轉換為電能，進而轉變成可測量的交變電荷信號，信號轉換電路將所檢測到的輸出電荷信號轉換成電壓信號并進行放大輸出，經過后續(xù)電路的處理即可得到角速度信號值，如圖1所示。

基于壓電換能器所產生的電荷信號很微弱而且不容易保持的工作特性，在檢測信號的前端采用能夠檢測電荷信號的放大器。即能夠將壓電轉換電路輸出的微弱的小信號進行放大的同時，又能將壓電轉換電路的輸出阻抗從高阻抗變換為低阻抗。

2 運算放大器的電路結構

2.1 帶自啟動的自舉基準電流源電路

偏置電路的精確程度直接決定了電路的性能的好壞，利用基準電流源結構實現對整體電路各級的參數設置，可以降低電容充放電過程中受到的電源電壓的影響，具有很強的抗干擾能力。為了避免了電路錯誤地選擇平衡點，采用如圖2所示電路，當電路處在的平衡點是不正確的位置時，I1、I2都為零。CMOS管M36將提供給管M29適當的電流，從而整個電路的工作狀態(tài)轉移到平衡點上。

2.2 運算放大器的頻率補償

三級放大器在獲得較大的增益的同時，也會帶來低頻極點的缺陷，致使帶寬減小幅度變大。為了克服這一缺點，采用如圖3所示的結合電容和跨導來實現頻率補償的電路結構。前饋跨導級gmf可抵消一個零點，并使輸出級為推挽輸出、增大擺率。密勒電容C1通過跨導gmt形成反饋。通過跨導級gmf和gmt間的匹配可以較好的解決和消除右半平面零點問題，而左半平面零點可以保留用來提高相位裕度，改善和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。

2.3 運算放大器的電路設計

如圖4所示，第一級采用PMOS管構建差分輸入級。把差分輸入管的源極連接到一起，合并成一個電流源處理，由于差動的作用，其等效到M2、M3上的噪聲就可以相互抵消，從而減小了電路的噪聲。第二級采用折疊式共源共柵的結構來提高整個運放的增益。第三極利用結構中的M16和M12來實現跨導級gmf和gmt。輸出晶體管M16由第一級輸出驅動，形成推挽輸出，增強了放大器的放大信號功能，因此轉換速率不會受到限制，轉換速率由第一級直流電流和補償電容C2來決定。同時，推挽輸出結構也改善了整體電路的性能，具有較低的輸出阻抗、較高的輸出擺幅和較強的負載驅動能力。

2.4 運算放大器的仿真

經仿真驗證，開環(huán)增益最高可達129.1 dB；相位裕度為87°，具有較高的穩(wěn)定性；轉換速率SR=dVout/dt=2v/μs；輸入共模范圍為0-5V，輸出為滿擺幅輸出。電源抑制比在低頻時，可達-40.19dB；輸出噪聲在低頻時小于40nV/。

3 整體檢測電路的仿真

通過連接反饋電容Cf和并連在反饋電容兩端的漏電阻Rf就構成了電荷放大器。當輸入信號為50KHZ時，Cf一定，輸入電容每變化0.1p，輸出電壓也隨之線性變化，變化量為0.001mv，如圖5（a）所示；當輸入電荷量不變時，輸出電壓幅值隨Cf的變化也發(fā)生線性變化，當反饋電容Cf變化1p時，輸出電壓就變化0.002mv，如圖5（b）所示。

4 結論

經驗證該電路符合石英陀螺計對運放的各項指標要求，適用于大多數石英陀螺計電荷檢測電路的要求，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1]陶玉貴.一種新型電荷放大器的研究與設計[J].安徽師范大學學報，2008，31（05）.

[2]謝立強.音叉式石英微機械陀螺的驅動檢測技術研究[D].北京：國防科學技術大學，2005.

[3]畢扎德，拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

[4]Ma Hafeng，Zhou Feng，Niu Qi.Nested Miller Active-Capacitor Frequency Compensation for Low-Power Three-Stage Amplifiers[J].Journal of Semiconductors，2008，29（09）.

作者簡介

張爾東（1983-），女，碩士學位。

作者單位

1.哈爾濱石油學院信息工程學院電子信息工程 黑龍江省哈爾濱市 150027

2.哈爾濱理工大學應用科學學院電子科學與技術系 黑龍江省哈爾濱市 150080