压电传感器信号调理及输出芯片设计

王 远， 周怡妃， 王小龙， 吴付岗

(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621900)

压电传感器信号调理及输出芯片设计

王 远， 周怡妃， 王小龙， 吴付岗

(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900)

为了提高压电传感器测量系统的集成度，采用1 μm高压双极—互补金属氧化物半导体—双重扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺，设计了一种适用于压电传感器的信号调理及输出芯片。集成了电压放大型阻抗变换电路、可调增益放大电路、二线制电流输出电路。仿真结果表明：芯片具有输入阻抗高，单位增益带宽大，总增益可调范围广等特点，在12～24 V宽供电范围下可正常工作，耗电仅为3.1 mA。

压电传感器； 集成电路设计； 高压双极—互补金属氧化物半导体—双重扩散金属氧化物半导体工艺； 可调增益放大电路； 电流型输出

0 引 言

传统的集成电路压电(integrated circuit piezoelectric,ICP)传感器[1]，采用体积较大的分立式电子元器件实现电荷放大电路，限制了传感器集成度的进一步提高。其次，ICP传感器广泛采用二线制电压输出，后端电路采用恒流源供电，实际应用中，恒流电源选定需要根据电缆长度确定[2]，加大了传感系统应用的复杂性；而且恒流电源的稳定性对ICP传感器的灵敏度有较大的影响[3]。再次，电压型输出抗噪性能较差，易受到来自电磁场噪声及机械振动摩擦引入的电缆噪声的干扰。

为了进一步提高压电传感器测量系统的集成度，提升测量系统在工业环境下的供电适应性和输出抗噪能力，本文设计了一种集成的压电传感器信号调理及输出芯片。该芯片采用1 μm双极—互补金属氧化物半导体—双重扩散金属氧化物半导体(bipolar-CMOS-DMOS,BCD)工艺库的集成电路设计技术，片内集成了电压放大型阻抗变换电路，具有可调增益放大电路以及二线制电流输出电路。芯片具有高输入阻抗、可调电压增益以及宽供电范围等优点，与压电晶体结合，形成更适用于工业应用环境的新型ICP传感器。

1 芯片总体设计

压电加速度传感器专用信号调理及输出芯片，其结构如图1所示，包括电压放大电路、可调增益放大电路(programmable gain amplifier,PGA)及电流输出级电路。电路整体采用集成电路设计，提高了系统的集成度，降低了测量电路的总功耗。

图1 信号调理及输出芯片结构

电压放大电路用于将压电敏感元件(压电晶体)的高输出阻抗变为较低阻抗；可调增益放大电路用于将信号进一步放大，并归一化到电流输出电路所需的电压范围；PGA的低频截止点及增益，可由外部输入调节，以适应不同的压电敏感体;电流输出电路满足二线制传输的需求，用于完成宽输入范围电压的转换，向前端电路提供供电电压，以及将

归一化后的电压信号转变为工业应用领域常见的4～20 mA电流输出信号[4]。

2 芯片电路设计

2.1 电压放大电路

电压放大型阻抗变换电路原理如图2所示。其原理是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)—双极结晶体管(BJT)两管直接耦合放大器(M1及Q1构成)，后接一个射极跟随器Q2，以增强电路的驱动能力。与常见设计不同，该电路中输入级的MOS管没有工作在源极跟随状态，而是作为自偏压共源极放大器，在实现阻抗变化的同时，为输入信号提供电压增益。

图2 电压放大电路

图中M1为N沟道耗尽型MOSFET，工作于小漏极电流状态。电路中栅极偏置电阻器Rg为工作在小漏极电流状态下的MOS管M1以及整个电路提供合适的工作点。以MOS管作为输入级的电压放大电路，使电路的等效输入电阻Ri在小信号分析情况下等于Rg，所以，对于该电路低频截止点fLP，有

fLP=1/(2πRiC)=1/(2πRgC)

(1)

式中C为等效电路的并联电容器，一般由压电晶体的输出电容决定。可知，要获得相对较小的fLP，Rg应尽量大，一般在107～109Ω范围。

通过对电路工作状态的分析可以发现，流过Rg的电流很小，Rg上压降稳定在0 V左右。因此，本文采用一个近0正偏的PN结二极管替代Rg，由PN结二极管电流方程[5]

I=I0[exp(qV/ηkT)-1]

(2)

式中I0为PN结二极管反相饱和电流；q为单位电荷量；V为二极管上加载的电压；η为理想系数，与二极管类型及工作电流范围有关；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度。可知，近0正偏的PN结二极管等效电阻值

(3)

对于I0=1×10-18A的PN结二极管，仿真结果显示,电压放大电路直流状态与采用Rg=108Ω的偏压电阻值相同。

2.2 可调增益放大电路

压电传感器测量电路设计中往往具有归一化放大级(或适调放大级)，除完成电压信号的放大，还可根据不同压电晶体的特性，实现输出信号的归一化[6]。本文设计具有可调增益的放大电路，用于实现信号的归一化放大[6]。采用基于电容反馈的交流耦合结构，其电路结构如图3所示。

图3 交流耦合可调增益放大电路

该放大电路的增益由电容反馈网络决定，即：AV=C1/Cf，而反馈电容Cf则由电容(C2～C5)的并联组合得到，设C2∶C3∶C4∶C5=1∶2∶4∶8，则通过开关S1～S4的选择性闭合，共可实现15种不同电压增益。

反馈环路中，引入工作在亚阈值区域的MOSFET作为可调节伪电阻器[7]，用于调节电容网络的高通极点。亚阈值工作状态下，MOSFET伪电阻阻值Req计算公式为

(4)

式中Ids,Vds,Vgs,Vth和Voff分别为MOS管的漏源电流、漏源电压、栅源电压、阈值电压及关断电压；I0为Vgs=2Vth时的Ids；Vt=kT/q，见式(2)中符号定义；n为亚阈值工作下非理想因子。图3中晶体管M2和M3组成伪电阻器Req，由电压Vres控制。通过Vres调节伪电阻器Req，可以设置主放大器的高通极点fHP，则有

(5)

当Vres从0.6～1.6 V变化(调节通过外部分压实现)，仿真显示Req变化范围为109～1 013Ω，计算可知，fHP变化范围在0.1～300 Hz之间。

运算放大器OPA1采用带米勒电容补偿的两级放大结构[8,9]，如图4所示。两级运放结构的特点是将增益和摆幅分开处理，第一级提供高增益，第二级提供大的摆幅，所以，在取得较高增益的情况下，可以保持较大的摆幅。另外，两级运放具有较低的噪声和相对适中的功耗。但是两级结构具有更多的极点，导致其摆率(速度)较低，考虑到本文所述应用场景速度低于100 kHz，两级运放结构完全满足要求。

图4 带米勒电容补偿的两级放大器

2.3 电流输出级电路

压电传感器信号调理及输出芯片，采用二线制4～20 mA电流传输协议。在压电传感测量系统中，传感器敏感体及测量电路(包括电流输出级)相当于一个负载，测量电路的总耗电电流在4～20 mA之间根据传感器的输出而变化。则后端三次仪表(显示或控制)只需要串接在电路中即可。二线制传感器测量电路利用了4～20 mA信号为自身提供电能，因此，要求压电传感器自身耗电(包括测量电路中信号调理、输出级在内的全部电路)不大于3.5 mA。电路如图5所示。图中运放OPA2，三极管Q3，电阻器R5，R6，RS构成了负反馈V/I变换器。其工作过程为：若A点电压因为输入电压Vin上升而高于片上地(GND)，则OPA2输出升高，Re两端电压升高，通过Re的电流变大。使得通过采样电阻器RS的电流也变大，电路整体耗电增大。此时B点电压变低，通过R2将A点电压下拉，实现负反馈；反之，若A点电压因为输入电压Vin下降而低于GND，也会被负反馈抬高。

图5 二线制电流输出电路

分析输入Vin对总耗电的控制原理：假设信号调理电路输出电压为Vin，则流过R5的电流I1=Vin/R5。由于运放输入端不吸收电流，则I1全部流过R6，那么B点电压VB=-I1×R6=-Vin×R6/R5。若取R5=R6时，有VB=-Vin。相当于外接电压源低电平(B点电平)和整个测量电路之间只有RS、R6两个电阻器，因此，所有的电流都流过RS和R6。电路总电流：IS=Vin/(RS//R6) 如果取R6≫RS，IS=Vin/RS。通过调整RS的值，使得Vin变化时，总耗电电流为4～20 mA。

为实现芯片的宽输入电压适应能力，在电流输出型电路中集成了三端串联稳压电路[10]，向信号调理电路提供电源VCC。其中限流二极管基于N沟道耗尽型结型场效应管MJ和反馈电阻器RB(如图5所示)，可将电流IB限制在100 μA以内。其次，采用高压NMOS晶体管MH替代传统三端稳压电路中的输出BJT管，构成源极跟随器。一方面使得电路具有更高的工作电压范围；另一方面，由于MOS管不需要栅偏置电流，则能进一步降低稳压电路的静态电流。

OPA2采用输出级带有米勒补偿的折叠式共源共栅结构放大器[11]，其电路如图6所示。采用折叠式共源共栅结构，可以保证放大器在较高增益下，仍然具有较大的输出摆幅和摆率(速度)。由于该结构的两级运放会产生双低频极点，所以在输出级引入米勒电容Cm实现频率补偿。同时，由于米勒补偿电容导致了右半平面的零点，采用米勒补偿电阻将该零点调整到左半平面，并与输出极点抵消，从而提高了放大器的开环相位裕度。

图6 折叠式共源共栅结构放大器

3 仿真结果

信号调理及输出芯片的设计及仿真，采用了1 μm高压BCD工艺设计库。工艺中常压BJT和CMOS供电电压为5 V，高压DMOS的供电电压及漏端击穿电压分别可达40，700 V；另外，该工艺提供高压结型场效应管(JFET)及齐纳二极管等非常见器件，满足各电路的设计要求。采用Cadence仿真软件Spectre对电压放大电路，以及增益可调放大电路进行仿真分析，并评估了系统在12～24 V供电下的整体功耗。

电压放大电路中，构成自偏压共源极放大器的N沟道MOS管M1，其沟道宽长比(W/L)极大地影响了电路的增益。图7所示为M1的宽长比对电路增益的影响。考虑到宽长比增大将导致电路带宽及动态范围的下降，采用W/L=80,取得26 dB左右的增益。

图7 宽长比(W/L)对电压放大电路增益的影响

图8为可调增益放大电路的幅频响应曲线，仿真中引入了电阻热噪声干扰源。设计的可调增益放大电路共有15级可调增益，图8(a)中仅给出了36，30，24，12 dB增益的仿真结果。仿真结果显示，设计的增益可调放大电路，在较宽的增益改变范围内，具有良好的幅频响应特性，单位增益带宽积到3.5 MHz。图8(b)为中频增益设置为24 dB时，通过调整Vres调整低频截止点。当Vres=1.1 V时，低频截止点小于1 Hz；Vres=0.64 V时，低频截止点达到310 Hz。

图8 可调增益放大电路的幅频响应曲线

4 结 论

为了提高压电传感器测量系统的集成度，设计了信号调理电路及输出芯片。采用近零正偏二极管取代偏置电阻的方式，在片上等效实现了大偏置电阻(108Ω)的电压放大电路；基于电容反馈的交流耦合结构，实现了具有可调增益放大电路；采用亚阈值区域的MOS管作为可调节伪电阻，实现了电路的低频截止点可调；将N沟道结型场效应管及齐纳二极管结合，设计了具有限流功能的三端稳压电路，进而实现了具有大工作电压范围的4～20 mA二线制电流型输出电路。基于1 μm高压BCD工艺设计及仿真，仿真结果表明：该芯片信号调理电路输入电阻不低于108Ω，电路总增益在38～62 dB可调，可调增益放大电路的单位增益带宽积到3.5 MHz。芯片采用4～20 mA二线制电流输出，在16～24 V的宽供电范围内，芯片总耗电仅为3.1 mA。

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Signalconditioningofpiezoelectricsensoranddesignofoutputchip

WANG Yuan, ZHOU Yi-fei, WANG Xiao-long, WU Fu-gang

(InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

In order to improve integration of measurement system based on piezoelectric sensor,a signal conditioning and output chip for piezoelectric sensor is designed by employing 1 μm high-voltage bipolar-CMOS-DMOS(BCD) process.The proposed chip consists of impedance conversion circuit based on voltage amplifier,programmable gain amplifying circuit,and two-wire current output circuit.Simulation results show that the designed chip has advantages of high input impedance,large unity-gain bandwidth,and wide programmable total-gain range.Under wide supply voltage range (12～24 V),the current consumption of the chip is only 3.1 mA.

piezoelectric sensor; integrated circuit design; high-voltage bipolar-CMOS-DMOS(BCD) technology; programmable gain amplifier; current output

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0099—04

TP 212

A

1000—9787(2017)11—0099—04

2016—09—27

王 远(1988- )，男，博士，工程师，主要从事传感器及相关电路系统的研究工作。