应用于谐振式微悬臂梁接口电路的锁相环设计*

张 博, 赵宏亮, 冯佳杰, 刘兴辉, 宦鼎来, 赵 野

(1.辽宁大学 物理学院,辽宁 沈阳 110036；2.中国科学院 微电子研究所,北京 100029；3.北方工业大学,北京 100043)

0 引 言

谐振式传感器是利用谐振元件将被测参量转换为频率信号的一种传感器。当被测参量发生变化时,振动元件的固有频率会随之改变,通过相应的检测电路,就可以得到与被测参量成一定关系的电信号[1]。传感器信号本身无法被检测到,必须具有外围接口电路为其提供必要的信号放大、处理及驱动等电路功能,接口电路的性能决定了传感器的精度。随着环境监测、医疗电子、红外探测、战场感知等对小型化、低功耗、快速响应、高精度、高可靠的新一代传感器的需求不断增长,研究开发相匹配的高性能接口电路也变得十分迫切和突出。

1 谐振式微悬臂梁传感器接口电路

谐振式微悬臂梁传感器的输出信号很微弱,文献[2]通过将信号滤波、放大处理等电路搭建成板级接口电路以满足传感器闭环系统的要求,其锁相功能采用MAX038信号发生器实现；文献[3]设计了基于FPGA的数字锁相环(phase-locked loop,PLL)的闭环接口电路；徐善轩等人设计的谐振式微悬臂梁便携式气体检测仪中通过数字信号处理芯片DSP28335实现软件锁相的功能[4]；PLL是实现频率捕获和跟踪微悬臂梁的闭环电路关键部分,但由于板级电路存在寄生电容、电阻、电磁环境等噪声的影响可能会将微小信号淹没或者产生较大误差。为了得到更高质量的传感器信号,本文利用MEMS-CMOS兼容工艺将锁相环等外接处理电路与悬臂梁传感器模块集成到同一个芯片中,悬臂梁发生弯曲振动时,压阻拾振电桥中的压敏电阻Rsensor将产生微小的变化,输出与悬臂梁振动频率一致的电压信号Vo,通过前级电路放大、移相、整形等电路,与接口电路形成闭环,其整体电路架构如图1所示。

图1 谐振式微悬臂梁传感器接口电路

2 改进型锁相环电路设计

锁相环应用比较广泛,可作为鉴频、鉴相、时钟恢复、频率合成、时钟生成等电路[5],在锁相环反馈回路中,鉴频鉴相器对参考时钟与反馈时钟比较产生相位差值信号,电荷泵和环路滤波器将信号处理为电压信号控制压控振荡器,使输出时钟锁定为参考时钟的N倍[6]。

2.1 鉴频鉴相器与电荷泵电路设计

鉴频鉴相器(PFD)如图2(a)所示,将输入相位差值转换成Up和Dn信号,通过在与门输出端增加特定的延迟单元,有效避免相位差较小时,输出信号没有足够的时间建立稳定的电流,而产生的“死区”问题。电荷泵(CP)如图2(b)采用电流转向型结构,由轨到轨运放构成的单位增益缓冲器使电荷泵输出端电压始终与输出端电压保持一致,解决了开关管源极到衬底寄生电容充放电造成的电荷共享问题。在输出电压0.38～4.66 V范围内,可以实现充放电电流很好的匹配,电流失配小于1 %,满足抑制电流失配的要求。

图2 鉴频鉴相器与电荷泵电路

2.2 一种改进型压控振荡器电路设计

普通的环形振荡器的调节范围较窄,并且晶体管等的寄生电容进一步限定了调节范围,本文设计改进的压控振荡器电路,由调整电路、环形压控振荡电路和输出缓冲电路三个模块构成。

考虑速度、功耗以及抗噪声能力等因素的情况下,本文设计的压控振荡器VCO由三级级联的差动对构成及延迟单元如图3所示。PMOS管M3和M4工作在深三极管区充当负载电阻,其值由VC控制,实现延迟时间可调,额外的M5和M6由输入驱动,将每个输出结点拉至电源电压,即使ISS变化较大时也能产生相对恒定的输出摆幅[7]。同时,尾电流源ISS由调整电路输出Ibias经过偏置电路产生,通过调节片外电阻控制尾电流ISS改变压控振荡器的中心频率。则此延迟单元电路即实现了控制电压VC对其延迟时间的控制,又实现了通过尾电流源ISS的控制调节振荡器输出频率。

图3 三级压控振荡器电路及其延迟单元结构

2.3 正弦输出电路设计

由于悬臂梁传感器的激励信号为正弦波信号,而前级整形电路输出为方波信号,为了使悬臂梁更好地自激振荡并且避免信号失真引起的误差,在锁相环的输出端设计方波转换正弦电路,并限制其输出幅度为400 mV,其结构如图4所示。首先通过前级对锁相环输出方波信号PLLOUT积分为三角波信号,通过结型场效应管差分放大器结构,设计合适的共模电平值以及滤波器值,使差分输入管工作在饱和区,根据其传输函数,输出电流i=IK[X/(1+X2)][8],IK为差分输入对管尾电流源电流值,X为归一化的差分输入电压值,与i=IK×0.5sin(π·X/2)公式相对比,使得输出电流将输入电压转换为近似平滑的相同频率正弦波,通过电阻将电流值转换为正弦电压波形。

图4 正弦输出电路结构

3 芯片测试

相环PLL等外围接口电路以及MEMS悬臂梁的整体芯片显微照片如图5(a)所示,分别标注了锁相环PLL电路和谐振式微悬臂梁模块。

分别测试输入为110 kHz和170 kHz频率的方波信号,示波器输出波形如图5(b)所示,对于测试信号均实现锁定,并且输出幅值约为398 mV,满足自激振荡需求。锁相环锁定范围优于文献[3]接口电路中基于FPGA的数字锁相环,跟踪范围更宽,检测数据更加精确,不宜失锁。

图5 整体芯片显微镜照片与锁相环输出波形

4 结 论

对于小体积、轻重量、高精度、高可靠和环境适应能力强的新一代传感器的需求,本文基于SOI工艺设计了应用于谐振式MEMS微悬臂梁传感器接口电路的锁相环电路,将传感器模块以及接口电路整体基于SOI制造工艺集成到同一芯片,通过改进经典电荷泵锁相环中压控振荡器的结构,实现更宽范围的频率锁定。结合整体芯片测试,当外部输入信号频率处于100～180 kHz范围内时,锁相环实现了连续锁定,并且输出幅值约为400mV的正弦波,适用于微悬臂梁传感器接口电路设计,可以实现对传感器输入信号的精确跟踪。对比文献[1～4]采用的板级电路,更加便携小型化,抗干扰能力更强,检测数据更加精确。