針對不同類型熱敏MEMS器件的高性能前置放大器設計*

宋冬雪，薛晨陽，王瑋冰，何 鑫，孟如男

（1．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2．中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室，北京 100029;3．江蘇物聯網研究發展中心，江蘇無錫 214315）

0 引言

紅外傳感器在工業控制、醫療診斷、環境監測、資源探測、軍事偵察和航空航天等領域發揮了越來越重要的作用，集成化、微型化紅外探測系統正成為發展趨勢。

一般來說，與IC工藝兼容會對紅外傳感器的材料、器件結構、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，針對熱敏MEMS器件的片上集成專用放大器的研究很少，各個研究機構所研制的傳感器讀出電路中對前置放大器的設計并不十分重視，大多數針對放大器的研究都是基于對某一方面性能的提高，忽視了其在應用中的實際價值。

MEMS尺度的縮小，集成化程度的提高，會導致工序增多，成本提高［2］。因此，建立種類豐富、功能正確優良的IP庫有助于提高片上系統（system on chip，SoC）的設計效率，減少設計風險［3］。近年來，一些關于建立MEMS專用IP的相關理論已經被提出，但大多數研究都是針對MEMS器件本身的結構和工藝部分，本文針對與IC兼容的熱敏MEMS器件的讀出信號特點，設計了分別符合高增益、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庫做了前期準備。

1 信號參數提取

通過對現有熱敏MEMS產品的調研，對不同應用的紅外熱電堆傳感器讀出信號的典型值總結如表1。

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

由表1可知，在安全/探測領域，傳感器輸出信號大，信噪比較高，其對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;在醫療測溫領域，傳感器輸出電壓小，需要高增益高精度的前置放大器;在火災探測領域，環境噪聲很大，信噪比較小，對前置運放的要求是超低噪聲和快速響應;在定位領域，由于其常用在車輛監控、運動物體的探測與分析中，其主要的要求是芯片面積小、功耗低以及不匹配率低。

2 基本電路結構

2．1 套筒式共源共柵

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

圖1中給出的運放的低頻小信號電壓增益為

雖然套筒式結構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構［4］，與圖1中的結構相比，輸入管用相反型號的晶體管因為在輸入管上并不層疊一個共源共柵管，因此增大了輸入電壓范圍。折疊式運算放大器的低頻小信號增益為

雖然折疊式結構比套筒式結構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實現的。

圖1 常用套筒式共源共柵結構Fig 1 Conventional telescope-feed cascode structure

圖2 常用折疊式共源共柵結構Fig 2 Conventional folded-cascode structure

2．3 CMOS 線性跨阻結構［5］

圖3顯示了用電阻實現跨導器的更好方法，具有的優點就是不消耗額外電流，也不增加共模節點。輸出電流限制在偏置電流Iblas的80%以內時，跨導gmtot是一個常數（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，同時也減小了失真，增大了連接成二極管形式的M3管源級之間的差分電阻2Rind，因此，總的電壓增益也有所增加。

2．4 兩種共模反饋結構

在全差分運放中，2個輸出端的輸出共模電平不能通過差動反饋來達到穩定，且對器件的特性和失配比較敏感。要使運放能夠穩定地工作，必須用共模反饋電路來穩定兩輸出端共模電平。

2．4．1 雙差分對共模反饋

雙差分對共模反饋電路如圖4，其原理［7］為:當運放的兩輸出共模電平降低時，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的電流會減小，M1的電流也減小，則反饋回運放的VCMFB端電壓也減小;降低套筒式主運放尾電流源的電流，使輸出共模電平升高，從而抑制輸出共模電平的變化。

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

該結構通過增加晶體管的數量，形成雙差分結構，以提取共模信號，并與基準電壓比較，產生共模反饋信號，避免了通常使用線性電阻提供共模反饋電壓對增益的影響。

2．4．2 開關電容共模反饋

電路如圖5，其原理［8］為:在時鐘CLKA為高電平期間，電容CC被預充電到偏置電壓Vbais（由一個二極管連接的晶體管產生）。在CLKB為高電平期間，CS和CC并聯，并在CC上確立一個DC補償電壓。該補償電壓增加到輸出共模電壓Vref。以致CMFB能精確控制電壓Vcom。

開關電容CMFB完成了共模負反饋的全部功能，不需要另外的比較器，占用較小的芯片面積，具有很好的穩定性能，并且不會對電路的輸出擺幅造成影響，同時，動態開關電容不消耗額外的功率，但它需要兩相非交疊時鐘。

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

3 電路設計和仿真

MEMS傳感器接口電路對前置放大器的要求［9］是低噪聲、低失調，僅僅根據放大器本身是無法滿足要求的。一般要通過運用特殊的電路技術來降低噪聲與失調，目前常用于處理傳感器接口信號的電路技術主要有斬波技術，相關雙采樣技術和自動穩零技術。本文所設計的運放可用于不同技術模式的通用電路模塊中。

以下設計的結構均采用全差分輸入，輸出端采用共模輸出電壓反饋，在設計的過程中，盡量減少噪聲和失調，與其他性能進行了較好的折衷。

3．1 高增益與高精度運放

該電路［10］整體設計如圖6。

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

基于CSMC標準0．5μm CMOS工藝，Cadence軟件仿真環境下，對電路進行了多次仿真和調整。結果顯示，設計的套筒式運算放大器在5V電源電壓和2pF負載下，開環增益為84．65dB，相位裕度68．9°，單位增益帶寬 74．5MHz，仿真結果如圖7。

圖7 套筒式共源共柵運放仿真結果Fig 7 Simulation results of telescope-feed cascode operational amplifier

由仿真結果可知，該結構能夠實現較高的增益和穩定的相位裕度以及較寬的帶寬。根據其特點，可以將其用于醫療測溫領域的紅外傳感器中。

3．2 高速運放

該電路整體設計如圖8。

同樣，基于 CSMC0．5 μmCMOS 標準工藝，對此電路進行直流和交流仿真。仿真結果如圖9所示。

在5 V電源電壓，無負載條件下，電路的開環增益為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，且帶寬很寬，意味著響應速度快，可用于火災探測、運動物體檢測等領域的紅外傳感器中，也可以用于運用相關雙采樣（correlated double sampling，CDS）技術消除失調的傳感器中。

圖8 高速度運放電路Fig 8 High speed operational amplifier circuit

圖9 高速運放交流仿真結果Fig 9 AC simulation results of high speed operational amplifier

3．3 帶有線性跨導器的運放

傳統的放大器具有很高的增益，但需要精確地無源元件來構成反饋。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成的反饋即能實現精確地放大。

電路［11，12］整體設計如圖 10。

圖10 帶有線性跨導器的運放Fig 10 Operational amplifier with linear transconductance

在同樣的工藝條件下對其仿真，仿真結果如圖11。

該電路實現開環增益為26．59 dB，單位增益帶寬為47．2 MHz，相位裕度為57°，對傳感器的微弱信號初步放大到mV級，方便后續濾波電路進行處理，符合要求。該放大器一般用于運用斬波技術降噪的接口電路中。

圖11 帶有線性跨導結構的交流仿真結果Fig 11 AC simulation results with linear transconductance structure

根據熱敏MEMS器件的具體要求，給出選擇使用的方案如表2。

表2 結果和應用方案Fig 2 Results and application scheme

4 結論

本文設計了3種不同結構的高性能前置放大器，通過反復的仿真驗證，證明其性能優異，并給出了具體的應用方案。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庫的概念，為后續電路設計人員提供了良好的設計思路。

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