1 引 言

當今集成電路產業發展日新月異， 芯片尺寸不斷縮小， 性能不斷優化， 使得對電路中各種基本單元的要求越來越高。對于普遍存在的放大器結構也提出了更高的要求。在差分電容式加速度計傳感器中， 放大器噪聲和失調電壓嚴重影響著傳感器的性能， 設計一種新型低噪聲、低失調的電壓放大器迫在眉睫。

根據經驗可知， 有幾種設計方法可以達到低噪聲、低失調要求。自動調零技術是最普遍的方法。但它最主要的缺點在于開關的不對稱或者補償不充分。使得開關的非線性不夠理想， 導致傳感器性能下降。因此需要一種簡潔的利用連續時間技術， 在考慮到電路結構及對稱性的情況下完成放大器設計。

2 加速度計基本工作原理及放大器對系統性能影響

圖1給出的電容式加速度計是一個二階動態系統， 其動態方程為：

其中m 為活動質量塊質量， R 為阻尼系數， k 為彈性系數， a 為該系統產生的加速度。

圖1 加速度計接口電路主要模塊

由于放大器的失調和寄生電容的影響， ASIC電路會產生零點失調。而工藝誤差， 會引起結構電容不對稱， 誤差電容一般為幾個pF。

Cp 一般為10pF左右， C1 = 5pF， Vref = 9V， C 大概為靜態電容的1%。由式( 4)可以看到， 零點偏移量的溫度特性和積分電容、寄生電容、誤差電容以及運放的失調電壓的溫度特性有關。積分電容C1 的溫度特性與選用材質和工藝參數有關， 不同材質的電容溫度特性不同， 采用的多晶硅電容， 相比金屬電容， 具有更好的溫度特性和較小的漏電流。由于放大器的失調存在于上式中的每一項， 使得它對系統失調有著不可忽略的影響。

圖2中經典運放的結構為經典的兩級CMOS差分， 共有三部分組成雙端輸入單端輸出的差分輸入級， 反相器輸出級， 源跟隨級。接5pF負載電容， 開環增益為81. 718dB， 相位裕度60. 018°。

圖2 經典運放結構。

重點考慮當放大器產生失調電壓和噪聲時對系統的影響。

( 1)失調電壓。

在考慮寬長和閾值電壓矢配情況下， 經過計算可得出放大器的輸入失調電壓為：

它顯示了Vos， in對器件失配與偏執條件的依賴關系， 從中可以得出:

a. 晶體管尺寸失配對失調的影響隨著平衡過驅動電壓的增大而增大。

b. 閾值電壓失配直接折合到輸入。

( 2)噪聲。

放大器器噪聲*有2部分組成: 熱噪聲和1 / f噪聲。其中1 / f噪聲占主導地位。

由于第二級和第三級的噪聲分量被第一級的增益相除， 因此可以忽略， 等效輸入電壓的噪聲譜密度可近似地表示為:

3 低失調、低噪聲放大器

圖3為所設計放大器原理圖。放大器共有三級組成。第一級(M1- M 4和M9)與第二級(M5- M8和M10)是標準的差分輸入單端輸出放大器， 第三級為class- A 輸出級。從圖中可以看到第一級的輸出被第二增益級鉗位， 使得它們構成了一個比較復雜的增益級。這種鉗位使得M5 與M 6管的直流工作點相近， 因此， 第二級使得第一級輸出節點電壓VA 和VB 的值基本相同。這樣一個復雜的增益級形成了一個跟蹤系統， 使得放大器的失調電壓減小，從而改善了由于外界環境變化所導致的系統不穩定。第一級的負載與第二級形成共源共柵結構， 它們的優點有以下幾點: # 在不使用共模反饋的情況下， 節點B的直流偏置就是確定的。高增益的開環鉗位電路可以有效的抑制靜態工作點失調。? 由于第一級產生的共模信號可以被第二增益級抵消， 從而有效的增加共模抑制比( CMRR)。% 第一和第二級構成的差分結構可確保由晶體管漏電流產生的共模失調會被抵消。

放大器利用2 個補償電容CC1 和CC2 構成Nested- M iller補償。

其中：

fnd代表極點， GBW 為單位增益帶寬。

電容RC1是用來改善放大器的相位裕度。在輸出級的晶體管M13可有效增大大信號的擺率。

4 電路主要參數設計

( 1)低失調電壓設計。

由于非理想因素的存在， 電路失調不可避免。

因此， 給出由第一級產生的系統輸入失調電壓為：

其中Vti是晶體管M i 的閾值電壓。Vovp和Vovn分別是差分P管和N 管的過驅動電壓。通過公式可以得出若使失調電壓下降， 可選擇大尺寸的M1和M 2管， 并且減小它們的過驅動電壓， 同時再增大M3與M4管的過驅動電壓。同理可以得出第二級的失調電壓。除了電路參數的設計外， 版圖的對稱性也會影響失調電壓的大小。在版圖設計中經常用單位晶體管代替組合晶體管， 這樣可有效的減小失調。

較大的晶體管一般會分解成多個單位晶體管。擁有共同質心的單位晶體管會按一個方向放置， 并且對稱管會放在相同的井內用以形成相同的外部環境。

( 2)噪聲的最佳化。

CMOS放大器的噪聲由熱噪聲和1 / f噪聲組成。一般1 / f噪聲比熱噪聲要大得多， 因此主要考慮1 / f噪聲。由圖1結構可得出噪聲主要來自系統的第一級， 給出第一級的等效輸入噪聲:

其中腳標n、p分別代表n、p溝道器件， dp代表差分對， m ir代表電流鏡。根據公式可以得出Lm ir和Wdp的值越大， 則1 / f噪聲越小。在上式中對Ldp求導， 求得的Ldp值就是使輸入噪聲電壓最小的Ldp：

因此， 通過選擇恰當的差分輸入管的溝道長度，以及較大的Lm ir和Wdp， 就會得到輸入參考1 / f噪聲的最小值。

( 3)共模抑制比( CMRR)。

共模抑制比分為靜態和動態兩種。靜態CMRR與電路結構有關， 而動態CMRR 主要于對稱器件的不對稱性。標準差分放大器的CMRR 大概在60- 80dB， 這是由于一般的不匹配因素在0. 1% 這樣的量級上。為了使CMRR 達到100dB 以上， 電路中采用第一級輸出與第二級輸入構成共源共刪， 并使用對稱的版圖結構。因此， 電路給出的靜態CMRR 為:

為了減小適配因素對CMRR的影響， 版圖設計中采用共質心的方法， 通過增加版圖面積來達到較好對稱性的要求。

5 測試及驗證

加速度計電路采用0. 5 m 2層多晶2層金屬標準模擬CMOS工藝進行了版圖設計， 芯片照片如圖4所示， 芯片面積為15. 2mm2。

測試結果表明， 放大器在工作電壓為3. 3V 時，實測電源電流為0. 23mA。帶寬為2. 3MH z， 共模抑制比為120dB， 。在- 45 - 80 ， 對放大器的失調電壓漂移進行了測試， 可以得出失調電壓的溫度漂移非常低， 輸入參考噪聲為20. 05nV /√H z。加速度計的噪聲特性和溫漂結果得到改善， 采用低噪聲放大器使得加速度計的噪聲密度為8 g /√ H z， 加速度計在全溫區零點變化量在0. 5mV /°C。總體測試結果如表1所示。

6 結束語

為了降低加速度計零點漂移和系統噪聲， 設計了一種低失調、低噪聲的放大器。芯片采用0. 5 mCMOS工藝實現， 測試結果表明， 放大器輸入失調電壓溫漂為0. 78 V /°C， 等效輸入噪聲20. 05nV /√Hz， 加速度計噪聲僅為8 g / √H z， 全溫區零點變化量在0. 5mV/°C， 達到了預期要求。