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面向微加速度计系统的运放设计与优化

王利颖  
【摘要】: 微机械加速度计作为一种重要的惯性器件,在汽车、消费电子、惯性制导等方面有广泛的应用前景。本文介绍了低噪声和高速全差分运算放大器的设计基本原理,另外针对本实验室的闭环加速度计系统结构,设计了其内部的运算放大器,即电荷放大器,后级放大器,单位增益缓冲器。 作为全差分微加速度计检测电路的电荷放大器,必须进行低噪声设计。本文设计的低噪声全差分放大器的等效输入噪声在10.55nV/ Hz左右。而随着数据传输速率的增加,在许多方面需要高增益和高带宽的运放去满足系统的精度和速度的要求。因此本文为了适应这样的要求设计了一个高增益高带宽的全差分运算放大器,该运算放大器采用增益提高技术,其直流开环增益达到100dB;单位增益带宽为67MHz左右。 另外,本文在分析了闭环加速度计基本工作原理基础上,利用0.5μm CMOS工艺设计完成了闭环加速度计接口电路的低功耗设计。 该电路的模拟部分包括电荷放大器、后级放大电器、相关双取样与采样保持电路、积分器、单位增益缓冲器。其中,电荷放大器需要低噪声放大器,该电路的放大器等效输入噪声为9.63nV/ Hz。为了满足系统动态范围的要求,后级运算放大器设计为全摆幅输出运放。本文设计了两种共挽输出级运算放大器,即三级结构运算放大器和低功耗运算放大器。其中低功耗共挽输出运放的功耗小于3mW。 利用理想动力学方程和加速度计结构参数建立了闭环加速度计的等效电学模型。等效电路模型与接口电路构成加速度计整体电路,并利用HSPICE对加速度计整体进行了仿真。整体电路性能如下:电路的满量程范围为±3g,系统灵敏度为0.767V/g,可检测最小加速度信号为20μg,电路的功耗小于45mW。


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