張爾東++曹一江++崔倩

摘 要采用三級運放結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，減小了整體系統(tǒng)的失調(diào)溫度系數(shù)和失調(diào)電壓值；其中，PMOS差分輸入和折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來進行頻率補償?shù)姆椒ㄌ岣吡穗娐返木_度、增強了抗電源干擾能力、改善了電路的穩(wěn)定性。

【關(guān)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(zhuǎn)動的角速度或角度的裝置，用來確定載體的方位或?qū)Ш?，在許多領(lǐng)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(zhuǎn)換電路將微小的電荷量轉(zhuǎn)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(gòu)成的壓電轉(zhuǎn)換電路將振動的機械能轉(zhuǎn)換為電能，進而轉(zhuǎn)變成可測量的交變電荷信號，信號轉(zhuǎn)換電路將所檢測到的輸出電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并進行放大輸出，經(jīng)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(chǎn)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?qū)弘娹D(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)實現(xiàn)對整體電路各級的參數(shù)設(shè)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?shù)碾娏?，從而整個電路的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)合電容和跨導來實現(xiàn)頻率補償?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)。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(shè)計

如圖4所示，第一級采用PMOS管構(gòu)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(jié)構(gòu)來提高整個運放的增益。第三極利用結(jié)構(gòu)中的M16和M12來實現(xiàn)跨導級gmf和gmt。輸出晶體管M16由第一級輸出驅(qū)動，形成推挽輸出，增強了放大器的放大信號功能，因此轉(zhuǎn)換速率不會受到限制，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(qū)動能力。

2.4 運算放大器的仿真

經(jīng)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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)論

經(jīng)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(shù)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(shè)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(qū)動檢測技術(shù)研究[D].北京：國防科學技術(shù)大學，2005.

[3]畢扎德，拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)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(shù)系 黑龍江省哈爾濱市 150080