壓電傳感器信號(hào)調(diào)理及輸出芯片設(shè)計(jì)

王 遠(yuǎn)， 周怡妃， 王小龍， 吳付崗

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

壓電傳感器信號(hào)調(diào)理及輸出芯片設(shè)計(jì)

王 遠(yuǎn)， 周怡妃， 王小龍， 吳付崗

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽(yáng)621900)

為了提高壓電傳感器測(cè)量系統(tǒng)的集成度，采用1 μm高壓雙極—互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體—雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(BCD)工藝，設(shè)計(jì)了一種適用于壓電傳感器的信號(hào)調(diào)理及輸出芯片。集成了電壓放大型阻抗變換電路、可調(diào)增益放大電路、二線制電流輸出電路。仿真結(jié)果表明：芯片具有輸入阻抗高，單位增益帶寬大，總增益可調(diào)范圍廣等特點(diǎn)，在12～24 V寬供電范圍下可正常工作，耗電僅為3.1 mA。

壓電傳感器； 集成電路設(shè)計(jì)； 高壓雙極—互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體—雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體工藝； 可調(diào)增益放大電路； 電流型輸出

0 引 言

傳統(tǒng)的集成電路壓電(integrated circuit piezoelectric,ICP)傳感器[1]，采用體積較大的分立式電子元器件實(shí)現(xiàn)電荷放大電路，限制了傳感器集成度的進(jìn)一步提高。其次，ICP傳感器廣泛采用二線制電壓輸出，后端電路采用恒流源供電，實(shí)際應(yīng)用中，恒流電源選定需要根據(jù)電纜長(zhǎng)度確定[2]，加大了傳感系統(tǒng)應(yīng)用的復(fù)雜性；而且恒流電源的穩(wěn)定性對(duì)ICP傳感器的靈敏度有較大的影響[3]。再次，電壓型輸出抗噪性能較差，易受到來(lái)自電磁場(chǎng)噪聲及機(jī)械振動(dòng)摩擦引入的電纜噪聲的干擾。

為了進(jìn)一步提高壓電傳感器測(cè)量系統(tǒng)的集成度，提升測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下的供電適應(yīng)性和輸出抗噪能力，本文設(shè)計(jì)了一種集成的壓電傳感器信號(hào)調(diào)理及輸出芯片。該芯片采用1 μm雙極—互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體—雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(bipolar-CMOS-DMOS,BCD)工藝庫(kù)的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，片內(nèi)集成了電壓放大型阻抗變換電路，具有可調(diào)增益放大電路以及二線制電流輸出電路。芯片具有高輸入阻抗、可調(diào)電壓增益以及寬供電范圍等優(yōu)點(diǎn)，與壓電晶體結(jié)合，形成更適用于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的新型ICP傳感器。

1 芯片總體設(shè)計(jì)

壓電加速度傳感器專用信號(hào)調(diào)理及輸出芯片，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電壓放大電路、可調(diào)增益放大電路(programmable gain amplifier,PGA)及電流輸出級(jí)電路。電路整體采用集成電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了測(cè)量電路的總功耗。

圖1 信號(hào)調(diào)理及輸出芯片結(jié)構(gòu)

電壓放大電路用于將壓電敏感元件(壓電晶體)的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗；可調(diào)增益放大電路用于將信號(hào)進(jìn)一步放大，并歸一化到電流輸出電路所需的電壓范圍；PGA的低頻截止點(diǎn)及增益，可由外部輸入調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的壓電敏感體;電流輸出電路滿足二線制傳輸?shù)男枨?，用于完成寬輸入范圍電壓的轉(zhuǎn)換，向前端電路提供供電電壓，以及將

歸一化后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)應(yīng)用領(lǐng)域常見的4～20 mA電流輸出信號(hào)[4]。

2 芯片電路設(shè)計(jì)

2.1 電壓放大電路

電壓放大型阻抗變換電路原理如圖2所示。其原理是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)—雙極結(jié)晶體管(BJT)兩管直接耦合放大器(M1及Q1構(gòu)成)，后接一個(gè)射極跟隨器Q2，以增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。與常見設(shè)計(jì)不同，該電路中輸入級(jí)的MOS管沒有工作在源極跟隨狀態(tài)，而是作為自偏壓共源極放大器，在實(shí)現(xiàn)阻抗變化的同時(shí)，為輸入信號(hào)提供電壓增益。

圖2 電壓放大電路

圖中M1為N溝道耗盡型MOSFET，工作于小漏極電流狀態(tài)。電路中柵極偏置電阻器Rg為工作在小漏極電流狀態(tài)下的MOS管M1以及整個(gè)電路提供合適的工作點(diǎn)。以MOS管作為輸入級(jí)的電壓放大電路，使電路的等效輸入電阻Ri在小信號(hào)分析情況下等于Rg，所以，對(duì)于該電路低頻截止點(diǎn)fLP，有

fLP=1/(2πRiC)=1/(2πRgC)

(1)

式中C為等效電路的并聯(lián)電容器，一般由壓電晶體的輸出電容決定?？芍?，要獲得相對(duì)較小的fLP，Rg應(yīng)盡量大，一般在107～109Ω范圍。

通過(guò)對(duì)電路工作狀態(tài)的分析可以發(fā)現(xiàn)，流過(guò)Rg的電流很小，Rg上壓降穩(wěn)定在0 V左右。因此，本文采用一個(gè)近0正偏的PN結(jié)二極管替代Rg，由PN結(jié)二極管電流方程[5]

I=I0[exp(qV/ηkT)-1]

(2)

式中I0為PN結(jié)二極管反相飽和電流；q為單位電荷量；V為二極管上加載的電壓；η為理想系數(shù)，與二極管類型及工作電流范圍有關(guān)；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。可知，近0正偏的PN結(jié)二極管等效電阻值

(3)

對(duì)于I0=1×10-18A的PN結(jié)二極管，仿真結(jié)果顯示,電壓放大電路直流狀態(tài)與采用Rg=108Ω的偏壓電阻值相同。

2.2 可調(diào)增益放大電路

壓電傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)中往往具有歸一化放大級(jí)(或適調(diào)放大級(jí))，除完成電壓信號(hào)的放大，還可根據(jù)不同壓電晶體的特性，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的歸一化[6]。本文設(shè)計(jì)具有可調(diào)增益的放大電路，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的歸一化放大[6]。采用基于電容反饋的交流耦合結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 交流耦合可調(diào)增益放大電路

該放大電路的增益由電容反饋網(wǎng)絡(luò)決定，即：AV=C1/Cf，而反饋電容Cf則由電容(C2～C5)的并聯(lián)組合得到，設(shè)C2∶C3∶C4∶C5=1∶2∶4∶8，則通過(guò)開關(guān)S1～S4的選擇性閉合，共可實(shí)現(xiàn)15種不同電壓增益。

反饋環(huán)路中，引入工作在亞閾值區(qū)域的MOSFET作為可調(diào)節(jié)偽電阻器[7]，用于調(diào)節(jié)電容網(wǎng)絡(luò)的高通極點(diǎn)。亞閾值工作狀態(tài)下，MOSFET偽電阻阻值Req計(jì)算公式為

(4)

式中Ids,Vds,Vgs,Vth和Voff分別為MOS管的漏源電流、漏源電壓、柵源電壓、閾值電壓及關(guān)斷電壓；I0為Vgs=2Vth時(shí)的Ids；Vt=kT/q，見式(2)中符號(hào)定義；n為亞閾值工作下非理想因子。圖3中晶體管M2和M3組成偽電阻器Req，由電壓Vres控制。通過(guò)Vres調(diào)節(jié)偽電阻器Req，可以設(shè)置主放大器的高通極點(diǎn)fHP，則有

(5)

當(dāng)Vres從0.6～1.6 V變化(調(diào)節(jié)通過(guò)外部分壓實(shí)現(xiàn))，仿真顯示Req變化范圍為109～1 013Ω，計(jì)算可知，fHP變化范圍在0.1～300 Hz之間。

運(yùn)算放大器OPA1采用帶米勒電容補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)放大結(jié)構(gòu)[8,9]，如圖4所示。兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將增益和擺幅分開處理，第一級(jí)提供高增益，第二級(jí)提供大的擺幅，所以，在取得較高增益的情況下，可以保持較大的擺幅。另外，兩級(jí)運(yùn)放具有較低的噪聲和相對(duì)適中的功耗。但是兩級(jí)結(jié)構(gòu)具有更多的極點(diǎn)，導(dǎo)致其擺率(速度)較低，考慮到本文所述應(yīng)用場(chǎng)景速度低于100 kHz，兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)完全滿足要求。

圖4 帶米勒電容補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)放大器

2.3 電流輸出級(jí)電路

壓電傳感器信號(hào)調(diào)理及輸出芯片，采用二線制4～20 mA電流傳輸協(xié)議。在壓電傳感測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器敏感體及測(cè)量電路(包括電流輸出級(jí))相當(dāng)于一個(gè)負(fù)載，測(cè)量電路的總耗電電流在4～20 mA之間根據(jù)傳感器的輸出而變化。則后端三次儀表(顯示或控制)只需要串接在電路中即可。二線制傳感器測(cè)量電路利用了4～20 mA信號(hào)為自身提供電能，因此，要求壓電傳感器自身耗電(包括測(cè)量電路中信號(hào)調(diào)理、輸出級(jí)在內(nèi)的全部電路)不大于3.5 mA。電路如圖5所示。圖中運(yùn)放OPA2，三極管Q3，電阻器R5，R6，RS構(gòu)成了負(fù)反饋V/I變換器。其工作過(guò)程為：若A點(diǎn)電壓因?yàn)檩斎腚妷篤in上升而高于片上地(GND)，則OPA2輸出升高，Re兩端電壓升高，通過(guò)Re的電流變大。使得通過(guò)采樣電阻器RS的電流也變大，電路整體耗電增大。此時(shí)B點(diǎn)電壓變低，通過(guò)R2將A點(diǎn)電壓下拉，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋；反之，若A點(diǎn)電壓因?yàn)檩斎腚妷篤in下降而低于GND，也會(huì)被負(fù)反饋抬高。

圖5 二線制電流輸出電路

分析輸入Vin對(duì)總耗電的控制原理：假設(shè)信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓為Vin，則流過(guò)R5的電流I1=Vin/R5。由于運(yùn)放輸入端不吸收電流，則I1全部流過(guò)R6，那么B點(diǎn)電壓VB=-I1×R6=-Vin×R6/R5。若取R5=R6時(shí)，有VB=-Vin。相當(dāng)于外接電壓源低電平(B點(diǎn)電平)和整個(gè)測(cè)量電路之間只有RS、R6兩個(gè)電阻器，因此，所有的電流都流過(guò)RS和R6。電路總電流：IS=Vin/(RS//R6) 如果取R6?RS，IS=Vin/RS。通過(guò)調(diào)整RS的值，使得Vin變化時(shí)，總耗電電流為4～20 mA。

為實(shí)現(xiàn)芯片的寬輸入電壓適應(yīng)能力，在電流輸出型電路中集成了三端串聯(lián)穩(wěn)壓電路[10]，向信號(hào)調(diào)理電路提供電源VCC。其中限流二極管基于N溝道耗盡型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MJ和反饋電阻器RB(如圖5所示)，可將電流IB限制在100 μA以內(nèi)。其次，采用高壓NMOS晶體管MH替代傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓電路中的輸出BJT管，構(gòu)成源極跟隨器。一方面使得電路具有更高的工作電壓范圍；另一方面，由于MOS管不需要柵偏置電流，則能進(jìn)一步降低穩(wěn)壓電路的靜態(tài)電流。

OPA2采用輸出級(jí)帶有米勒補(bǔ)償?shù)恼郫B式共源共柵結(jié)構(gòu)放大器[11]，其電路如圖6所示。采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，可以保證放大器在較高增益下，仍然具有較大的輸出擺幅和擺率(速度)。由于該結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放會(huì)產(chǎn)生雙低頻極點(diǎn)，所以在輸出級(jí)引入米勒電容Cm實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。同時(shí)，由于米勒補(bǔ)償電容導(dǎo)致了右半平面的零點(diǎn)，采用米勒補(bǔ)償電阻將該零點(diǎn)調(diào)整到左半平面，并與輸出極點(diǎn)抵消，從而提高了放大器的開環(huán)相位裕度。

圖6 折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)放大器

3 仿真結(jié)果

信號(hào)調(diào)理及輸出芯片的設(shè)計(jì)及仿真，采用了1 μm高壓BCD工藝設(shè)計(jì)庫(kù)。工藝中常壓BJT和CMOS供電電壓為5 V，高壓DMOS的供電電壓及漏端擊穿電壓分別可達(dá)40，700 V；另外，該工藝提供高壓結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)及齊納二極管等非常見器件，滿足各電路的設(shè)計(jì)要求。采用Cadence仿真軟件Spectre對(duì)電壓放大電路，以及增益可調(diào)放大電路進(jìn)行仿真分析，并評(píng)估了系統(tǒng)在12～24 V供電下的整體功耗。

電壓放大電路中，構(gòu)成自偏壓共源極放大器的N溝道MOS管M1，其溝道寬長(zhǎng)比(W/L)極大地影響了電路的增益。圖7所示為M1的寬長(zhǎng)比對(duì)電路增益的影響?？紤]到寬長(zhǎng)比增大將導(dǎo)致電路帶寬及動(dòng)態(tài)范圍的下降，采用W/L=80,取得26 dB左右的增益。

圖7 寬長(zhǎng)比(W/L)對(duì)電壓放大電路增益的影響

圖8為可調(diào)增益放大電路的幅頻響應(yīng)曲線，仿真中引入了電阻熱噪聲干擾源。設(shè)計(jì)的可調(diào)增益放大電路共有15級(jí)可調(diào)增益，圖8(a)中僅給出了36，30，24，12 dB增益的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的增益可調(diào)放大電路，在較寬的增益改變范圍內(nèi)，具有良好的幅頻響應(yīng)特性，單位增益帶寬積到3.5 MHz。圖8(b)為中頻增益設(shè)置為24 dB時(shí)，通過(guò)調(diào)整Vres調(diào)整低頻截止點(diǎn)。當(dāng)Vres=1.1 V時(shí)，低頻截止點(diǎn)小于1 Hz；Vres=0.64 V時(shí)，低頻截止點(diǎn)達(dá)到310 Hz。

圖8 可調(diào)增益放大電路的幅頻響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

為了提高壓電傳感器測(cè)量系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路及輸出芯片。采用近零正偏二極管取代偏置電阻的方式，在片上等效實(shí)現(xiàn)了大偏置電阻(108Ω)的電壓放大電路；基于電容反饋的交流耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有可調(diào)增益放大電路；采用亞閾值區(qū)域的MOS管作為可調(diào)節(jié)偽電阻，實(shí)現(xiàn)了電路的低頻截止點(diǎn)可調(diào)；將N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及齊納二極管結(jié)合，設(shè)計(jì)了具有限流功能的三端穩(wěn)壓電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了具有大工作電壓范圍的4～20 mA二線制電流型輸出電路?；? μm高壓BCD工藝設(shè)計(jì)及仿真，仿真結(jié)果表明：該芯片信號(hào)調(diào)理電路輸入電阻不低于108Ω，電路總增益在38～62 dB可調(diào)，可調(diào)增益放大電路的單位增益帶寬積到3.5 MHz。芯片采用4～20 mA二線制電流輸出，在16～24 V的寬供電范圍內(nèi)，芯片總耗電僅為3.1 mA。

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Signalconditioningofpiezoelectricsensoranddesignofoutputchip

WANG Yuan, ZHOU Yi-fei, WANG Xiao-long, WU Fu-gang

(InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

In order to improve integration of measurement system based on piezoelectric sensor,a signal conditioning and output chip for piezoelectric sensor is designed by employing 1 μm high-voltage bipolar-CMOS-DMOS(BCD) process.The proposed chip consists of impedance conversion circuit based on voltage amplifier,programmable gain amplifying circuit,and two-wire current output circuit.Simulation results show that the designed chip has advantages of high input impedance,large unity-gain bandwidth,and wide programmable total-gain range.Under wide supply voltage range (12～24 V),the current consumption of the chip is only 3.1 mA.

piezoelectric sensor; integrated circuit design; high-voltage bipolar-CMOS-DMOS(BCD) technology; programmable gain amplifier; current output

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0099—04

TP 212

A

1000—9787(2017)11—0099—04

2016—09—27

王 遠(yuǎn)(1988- )，男，博士，工程師，主要從事傳感器及相關(guān)電路系統(tǒng)的研究工作。