CN113014217A - Mems传感器驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS传感器驱动电路，包括：共栅极放大器；恒流源，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于为所述共栅极放大器提供偏置电流；第一反相放大器，具有负反馈电阻，所述第一反相放大器的输入端与所述共栅极放大器的输出端电连接；输入端口，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于接收MEMS传感器的电流信号。本发明提供的技术方案能够同时提高MEMS传感器驱动电路的带宽和增益。

Description

MEMS传感器驱动电路

技术领域

本发明涉及放大电路技术领域，尤其涉及一种MEMS传感器驱动电路。

背景技术

MEMS传感器具有体积小、重量轻、低功耗、低成本等优点，在低成本的惯性导航系统中有着广泛的应用，MEMS传感器采用闭环驱动，作为闭环驱动电路的关键部分，跨阻放大器的性能影响着整个传感器稳定性。MEMS传感器对驱动电路所提供的带宽和增益有着十分严格的要求，只有在驱动电路的带宽和增益同时满足要求的情况下，才能使MEMS传感器起振。然而跨阻放大器的增益和带宽通常是互相制约的关系，很难做到增益和带宽的同时增加。

发明内容

本发明提供的MEMS传感器驱动电路，能够同时提高MEMS传感器驱动电路的带宽和增益。

本发明提供一种MEMS传感器驱动电路，包括：

共栅极放大器；

恒流源，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于为所述共栅极放大器提供偏置电流；

第一反相放大器，具有负反馈电阻，所述第一反相放大器的输入端与所述共栅极放大器的输出端电连接；

输入端口，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于接收MEMS传感器的电流信号。

可选地，还包括：

隔直电容，输入端与所述第一反相放大器的输出端电连接；

第二反相放大器，输入端与所述隔直电容的输出端电连接；

恒压源，与所述第二反相放大器的输入端电连接；

第三反相放大器，所述第三反相放大器的输入端与所述第二反相放大器的输出端电连接。

可选地，还包括缓冲器，所述缓冲器的输入端与所述第三反相放大器的输出端电连接。

可选地，所述缓冲器包括：

第一NMOS，所述第一NMOS的源极接地，所述第一NMOS的栅极与所述第三反相放大器的输出端电连接；

第一负载电阻，所述第一负载电阻的一端与工作电压源电连接，所述第一负载电阻的另一端与第一NMOS的漏极电连接。

可选地，所述第二反相放大器包括：

第一PMOS，所述第一PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第一PMOS的栅极与所述隔直电容和所述恒压源电连接；

第二NMOS，所述第二NMOS的源极接地，所述第二NMOS的漏极与所述第一PMOS的漏极电连接，所述第二NMOS的栅极与所述隔直电容和所述恒压源电连接。

可选地，所述第三反相放大器包括：

第二PMOS，所述第二PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第二PMOS的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

第三NMOS，所述第三NMOS的源极接地，所述第三NMOS的漏极与所述第二PMOS的漏极电连接，所述第三NMOS的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

电阻串，所述电阻串的一端与所述第二反相放大器的输出端电连接，所述电阻串的另一端与所述第二PMOS的漏极和所述第三NMOS的漏极电连接。

可选地，所述电阻串包括串联连接的第一子电阻和第二子电阻；所述第三反相放大器还包括第三PMOS，所述第三PMOS的源极和漏极接地，所述第三PMOS的栅极与所述第一子电阻和第二子电阻的公共端电连接。

可选地，所述恒流源包括：

电流源；

第四NMOS，所述第四NMOS的源极接地，所述第四NMOS的漏极与所述电流源的正极电连接；

第五NMOS，所述第五NMOS的源极接地，所述第五NMOS的漏极与所述共栅极放大器的放大管源端连接；

所述第四NMOS的栅极和第五NMOS的栅极均与所述第四NMOS的漏极电连接。

可选地，所述共栅极放大器包括：

放大管，所述放大管的源极与所述恒流源电连接，所述放大管的栅极与偏置电压电路连接；

第二负载电阻，所述第二负载电阻的一端与所述放大管的漏极电连接，所述第二负载电阻的另一端与工作电压源电连接。

可选地，所述第一反向放大器包括：

第四PMOS，所述第四PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第四PMOS的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

第六NMOS，所述第六NMOS的源极接地，所述第六NMOS的漏极与所述第四PMOS的漏极电连接，所述第六NMOS的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

反馈电阻，所述反馈电阻的一端与所述共栅极放大器的输出端电连接，所述反馈电阻的另一端与所述第四PMOS的漏极和第六NMOS的漏极电连接。

在本发明中，采用恒流源连接在共栅极放大器的放大管源端，给共栅极放大器的支路做电流偏置，为共栅极放大器的电路提供恒定的电流，从而，保证了电路的电流稳定性。再将具有反馈电阻的第一反相放大器级联到共栅极放大器的输出端，从而，能够在增加电路增益的同时，还能够将电路的带宽进行拓展。

附图说明

图1为本发明一实施例MEMS传感器驱动电路的示意图；

图2为本发明另一实施例MEMS传感器驱动电路的具体电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种MEMS传感器驱动电路，如图1所示，包括：

共栅极放大器；

恒流源，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于为所述共栅极放大器提供偏置电流；

第一反相放大器，具有负反馈电阻，所述第一反相放大器的输入端与所述共栅极放大器的输出端电连接；

输入端口，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于接收MEMS传感器的电流信号。

在本发明实施例中，采用恒流源连接在共栅极放大器的放大管源端，给共栅极放大器的支路做电流偏置，为共栅极放大器的电路提供恒定的电流，从而，保证了电路的电流稳定性。再将具有反馈电阻的第一反相放大器级联到共栅极放大器的输出端，从而，能够在增加电路增益的同时，还能够将电路的带宽进行拓展。

作为一种可选的实施方式，MEMS传感器驱动电路还包括：

隔直电容，输入端与所述第一反相放大器的输出端电连接；

第二反相放大器，输入端与所述隔直电容的输出端电连接；

恒压源V_bias，与所述第二反相放大器的输入端电连接；

第三反相放大器，所述第三反相放大器的输入端与所述第二反相放大器的输出端电连接。

在本实施方式中，使用隔值电容将第一反相放大器与第二反相放大器的直流电压给隔开，以避免第一反相放大器对后级放大器产生影响。在第二反相放大器的输入端加稳定直流电压，在将第二反相放大器和带有负反馈电阻的第三反相放大器级联，从而使第二反相放大器和第三反相放大器达到最大增益。

作为一种可选的实施方式，还包括缓冲器，所述缓冲器的输入端与所述第三反相放大器的输出端电连接。作为一种优选的实施方式，所述缓冲器包括：

第一NMOS M10，所述第一NMOS M10的源极接地，所述第一NMOS M10的栅极与所述第三反相放大器的输出端电连接；

第一负载电阻R4，所述第一负载电阻R4的一端与工作电压源电连接，所述第一负载电阻R4的另一端与第一NMOS M10的漏极电连接。

作为一种可选的实施方式，所述第二反相放大器包括：

第一PMOS M6，所述第一PMOS M6的源极与工作电压源电连接，所述第一PMOS M6的栅极与所述隔直电容和所述恒压源V_bias电连接；

第二NMOS M7，所述第二NMOS M7的源极接地，所述第二NMOS M7的漏极与所述第一PMOS M6的漏极电连接，所述第二NMOS M7的栅极与所述隔直电容和所述恒压源V_bias电连接。

在本实施方式中，使用隔值电容将第一反相放大器与第二反相放大器的直流电压给隔开，以避免第一反相放大器对后级放大器产生影响。在第二反相放大器的输入端加稳定直流电压，从而使第二反相放大器和第三反相放大器达到最大增益。

作为一种可选的实施方式，所述第三反相放大器包括：

第二PMOS M8，所述第二PMOS M8的源极与工作电压源电连接，所述第二PMOS M8的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

第三NMOS M9，所述第三NMOS M9的源极接地，所述第三NMOS M9的漏极与所述第二PMOS M8的漏极电连接，所述第三NMOS M9的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

电阻串，所述电阻串的一端与所述第二反相放大器的输出端电连接，所述电阻串的另一端与所述第二PMOS M8的漏极和所述第三NMOS M9的漏极电连接；其中，所述电阻串包括串联连接的第一子电阻R2和第二子电阻R3；所述第三反相放大器还包括第三PMOS Mc，所述第三PMOS Mc的源极和漏极接地，所述第三PMOS Mc的栅极与所述第一子电阻R2和第二子电阻R3的公共端电连接。

在本实施方式中，第一子电阻、第二子电阻以及第三PMOS形成T型网络，采用第三PMOS Mc的栅极寄生电容提供一个零点来抵消极点，从而拓展电路的带宽。在本实施方式中，采用第三PMOS Mc的栅极寄生电容来作为电容使用，能够节省空间，减小器件的体积。当然，在条件允许的条件下，也可以采用电容与第一子电阻和第二子电阻形成T型网络。

作为一种可选的实施方式，所述恒流源包括：

电流源I_bias；

第四NMOS M3，所述第四NMOS M3的源极接地，所述第四NMOS M3的漏极与所述电流源I_bias的正极电连接；

第五NMOS M2，所述第五NMOS M2的源极接地，所述第五NMOS M2的漏极与所述共栅极放大器的放大管源端连接；

所述第四NMOS M3的栅极和第五NMOS M2的栅极均与所述第四NMOS M3的漏极电连接。

本实施方式中采用电流镜结构连接到共栅极放大器的源端，给共栅放大器支路做电流偏置，给共栅极放大电路提供恒定电流，保证电路的电流稳定性。

作为一种可选的实施方式，所述共栅极放大器包括：

放大管，所述放大管的源极与所述恒流源电连接，所述放大管的栅极与偏置电压电路连接；

第二负载电阻，所述第二负载电阻的一端与所述放大管的漏极电连接，所述第二负载电阻的另一端与工作电压源电连接。

在上述的两个实施方式中，该共栅极放大电路的增益为：

A_v＝g_m1(1+η)R_d (1)

其中g_m1为MOS管M1的跨导，η为M1的体效应，将衬底接M1的源极，则体效应可以忽略。故从公式(1)可知，电路的增益与负载电阻Rd的取值、M1的跨导的大小成正比。由于Rd的取值比较大，本电路中取50KΩ，所以共栅极放大器的直流电流I_ds1会比较小，然而

综合公式(1)(2)，可知电流I_ds1的大小会影响到电路的增益，所以可以将的M3的源端输入大小为20μA的基准电流源I_bias，再通过设置M3和M2的宽长比，比值为(W/L)₁₀/(W/L)₁₁＝1：5，将共栅极放大器的电流稳定在100μA左右，使其成为一个相对稳定的量，不再受M1和Rd的影响。

作为一种可选的实施方式，所述第一反向放大器包括：

第四PMOS M4，所述第四PMOS M4的源极与工作电压源电连接，所述第四PMOS M4的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

第六NMOS M5，所述第六NMOS M5的源极接地，所述第六NMOS M5的漏极与所述第四PMOS M4的漏极电连接，所述第六NMOS M5的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

反馈电阻R1，所述反馈电阻R1的一端与所述共栅极放大器的输出端电连接，所述反馈电阻R1的另一端与所述第四PMOS M4的漏极和第六NMOS M5的漏极电连接。

在上述的实施方式中，共栅极放大器的极点有两个，输入端的极点是由是由M1和M2的寄生电容所引起的，即寄生电容为(C_gs1+C_gd11)，由于M3和M2所组成的电流镜电路的存在，所以主极点为共栅极放大器的输出端，输出端的寄生电容为C_gd1，输出端的极点为：

加上带负反馈的反相放大器之后，输出端的寄生电容变为(C_gd1+C_g2+C_g3)，此时输出端的极点为：

其中，r₂和r₃分别为MOS管M2和M3的本征阻抗，其值远远小于Rd和R1，C_g2和C_g3为M2和M3的栅极的寄生电容，但是这两个值远远小于M1的栅漏寄生电容C_gd1，故可知：

由于r₂和r₃的值远远小于Rd和R1，所以由公式(5)可知：

故由上式可知，加上带有负反馈电阻的反相器之后，电路的带宽可以得到很大的提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种MEMS传感器驱动电路，其特征在于，包括：

共栅极放大器；

恒流源，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于为所述共栅极放大器提供偏置电流；

第一反相放大器，具有负反馈电阻，所述第一反相放大器的输入端与所述共栅极放大器的输出端电连接；

输入端口，与所述共栅极放大器的放大管的源极电连接，用于接收MEMS传感器的电流信号。

2.根据权利要求1所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，还包括：

隔直电容，输入端与所述第一反相放大器的输出端电连接；

第二反相放大器，输入端与所述隔直电容的输出端电连接；

恒压源，与所述第二反相放大器的输入端电连接；

第三反相放大器，所述第三反相放大器的输入端与所述第二反相放大器的输出端电连接。

3.根据权利要求2所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，还包括缓冲器，所述缓冲器的输入端与所述第三反相放大器的输出端电连接。

4.根据权利要求3所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述缓冲器包括：

第一NMOS，所述第一NMOS的源极接地，所述第一NMOS的栅极与所述第三反相放大器的输出端电连接；

第一负载电阻，所述第一负载电阻的一端与工作电压源电连接，所述第一负载电阻的另一端与第一NMOS的漏极电连接。

5.根据权利要求2所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述第二反相放大器包括：

第一PMOS，所述第一PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第一PMOS的栅极与所述隔直电容和所述恒压源电连接；

第二NMOS，所述第二NMOS的源极接地，所述第二NMOS的漏极与所述第一PMOS的漏极电连接，所述第二NMOS的栅极与所述隔直电容和所述恒压源电连接。

6.根据权利要求2所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述第三反相放大器包括：

第二PMOS，所述第二PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第二PMOS的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

第三NMOS，所述第三NMOS的源极接地，所述第三NMOS的漏极与所述第二PMOS的漏极电连接，所述第三NMOS的栅极与所述第二反相放大器的输出端电连接；

电阻串，所述电阻串的一端与所述第二反相放大器的输出端电连接，所述电阻串的另一端与所述第二PMOS的漏极和所述第三NMOS的漏极电连接；其中，

所述电阻串包括串联连接的第一子电阻和第二子电阻；所述第三反相放大器还包括第三PMOS，所述第三PMOS的源极和漏极接地，所述第三PMOS的栅极与所述第一子电阻和第二子电阻的公共端电连接。

7.根据权利要求1所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述恒流源包括：

电流源；

第四NMOS，所述第四NMOS的源极接地，所述第四NMOS的漏极与所述电流源的正极电连接；

第五NMOS，所述第五NMOS的源极接地，所述第五NMOS的漏极与所述共栅极放大器的放大管源端连接；

所述第四NMOS的栅极和第五NMOS的栅极均与所述第四NMOS的漏极电连接。

8.根据权利要求1所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述共栅极放大器包括：

放大管，所述放大管的源极与所述恒流源电连接，所述放大管的栅极与偏置电压电路连接；

第二负载电阻，所述第二负载电阻的一端与所述放大管的漏极电连接，所述第二负载电阻的另一端与工作电压源电连接。

9.根据权利要求1所述MEMS传感器驱动电路，其特征在于，所述第一反向放大器包括：

第四PMOS，所述第四PMOS的源极与工作电压源电连接，所述第四PMOS的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

第六NMOS，所述第六NMOS的源极接地，所述第六NMOS的漏极与所述第四PMOS的漏极电连接，所述第六NMOS的栅极与所述共栅极放大器的输出端电连接；

反馈电阻，所述反馈电阻的一端与所述共栅极放大器的输出端电连接，所述反馈电阻的另一端与所述第四PMOS的漏极和第六NMOS的漏极电连接。

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