高增益、低噪声的石英陀螺计电荷检测电路设计

张尔东++曹一江++崔倩

摘 要采用三级运放结构设计了一种专用于石英陀螺计中的高精度CMOS集成电荷检测电路。整体电路在第一、二级运放中分别采用全差分输出和输入的结构，减小了整体系统的失调温度系数和失调电压值；其中，PMOS差分输入和折叠式共源共栅结构为运放提供了较低的噪声和较大的增益；自举基准电流源及其启动电路功能和新型反馈结构来进行频率补偿的方法提高了电路的精确度、增强了抗电源干扰能力、改善了电路的稳定性。

【关键词】石英陀螺计 电荷检测 三级运算放大器

石英陀螺计是用于测量物体相对惯性空间转动的角速度或角度的装置，用来确定载体的方位或导航，在许多领域有着极为重要的应用。但是由于石英陀螺计受外界力的作用输出的是交流电荷量信号，因此为信号的分析和提取带来困难。所以需要高性能的信号转换电路将微小的电荷量转换为所需要的电压信号，用于后续的放大、处理。

1 基本原理

石英陀螺利用敏感叉指和安装在敏感叉指表面上的电极一起所构成的压电转换电路将振动的机械能转换为电能，进而转变成可测量的交变电荷信号，信号转换电路将所检测到的输出电荷信号转换成电压信号并进行放大输出，经过后续电路的处理即可得到角速度信号值，如图1所示。

基于压电换能器所产生的电荷信号很微弱而且不容易保持的工作特性，在检测信号的前端采用能够检测电荷信号的放大器。即能够将压电转换电路输出的微弱的小信号进行放大的同时，又能将压电转换电路的输出阻抗从高阻抗变换为低阻抗。

2 运算放大器的电路结构

2.1 带自启动的自举基准电流源电路

偏置电路的精确程度直接决定了电路的性能的好坏，利用基准电流源结构实现对整体电路各级的参数设置，可以降低电容充放电过程中受到的电源电压的影响，具有很强的抗干扰能力。为了避免了电路错误地选择平衡点，采用如图2所示电路，当电路处在的平衡点是不正确的位置时，I1、I2都为零。CMOS管M36将提供给管M29适当的电流，从而整个电路的工作状态转移到平衡点上。

2.2 运算放大器的频率补偿

三级放大器在获得较大的增益的同时，也会带来低频极点的缺陷，致使带宽减小幅度变大。为了克服这一缺点，采用如图3所示的结合电容和跨导来实现频率补偿的电路结构。前馈跨导级gmf可抵消一个零点，并使输出级为推挽输出、增大摆率。密勒电容C1通过跨导gmt形成反馈。通过跨导级gmf和gmt间的匹配可以较好的解决和消除右半平面零点问题，而左半平面零点可以保留用来提高相位裕度，改善和提高系统稳定性能。

2.3 运算放大器的电路设计

如图4所示，第一级采用PMOS管构建差分输入级。把差分输入管的源极连接到一起，合并成一个电流源处理，由于差动的作用，其等效到M2、M3上的噪声就可以相互抵消，从而减小了电路的噪声。第二级采用折叠式共源共栅的结构来提高整个运放的增益。第三极利用结构中的M16和M12来实现跨导级gmf和gmt。输出晶体管M16由第一级输出驱动，形成推挽输出，增强了放大器的放大信号功能，因此转换速率不会受到限制，转换速率由第一级直流电流和补偿电容C2来决定。同时，推挽输出结构也改善了整体电路的性能，具有较低的输出阻抗、较高的输出摆幅和较强的负载驱动能力。

2.4 运算放大器的仿真

经仿真验证，开环增益最高可达129.1 dB；相位裕度為87°，具有较高的稳定性；转换速率SR=dVout/dt=2v/μs；输入共模范围为0-5V，输出为满摆幅输出。电源抑制比在低频时，可达-40.19dB；输出噪声在低频时小于40nV/。

3 整体检测电路的仿真

通过连接反馈电容Cf和并连在反馈电容两端的漏电阻Rf就构成了电荷放大器。当输入信号为50KHZ时，Cf一定，输入电容每变化0.1p，输出电压也随之线性变化，变化量为0.001mv，如图5（a）所示；当输入电荷量不变时，输出电压幅值随Cf的变化也发生线性变化，当反馈电容Cf变化1p时，输出电压就变化0.002mv，如图5（b）所示。

4 结论

经验证该电路符合石英陀螺计对运放的各项指标要求，适用于大多数石英陀螺计电荷检测电路的要求，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]陶玉贵.一种新型电荷放大器的研究与设计[J].安徽师范大学学报，2008，31（05）.

[2]谢立强.音叉式石英微机械陀螺的驱动检测技术研究[D].北京：国防科学技术大学，2005.

[3]毕扎德，拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，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）.

作者简介

张尔东（1983-），女，硕士学位。

作者单位

1.哈尔滨石油学院信息工程学院电子信息工程 黑龙江省哈尔滨市 150027

2.哈尔滨理工大学应用科学学院电子科学与技术系 黑龙江省哈尔滨市 150080