諧振式微懸臂梁接口電路鎖相環設計

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摘要:針對諧振式微機電系統(MEMS)微懸臂梁傳感器對接口電路自動鎖頻的需求，設計一種輸出幅度約為400mV正弦波鎖相環(PLL)電路，與MEMS懸臂梁單片集成構成閉環自激/檢測系統。PLL電路設計了一種改進的差分型環形壓控振蕩器結構，既實現電壓控制也可通過電流調控，以及“死區”時間優化的鑒頻鑒相器，高匹配的電荷泵等電路。傳感器整體電路基于絕緣體上硅(SOI)工藝設計制造，整體接口電路完成芯片測試，鎖相環PLL電路可以對100～180kHz寬輸入范圍內信號的連續鎖定，實現傳感器輸入信號的精確跟蹤，滿足傳感器檢測需求。

關鍵詞:微機電系統(MEMS);接口電路;電荷泵鎖相環;壓控振蕩器

0引言

諧振式傳感器是利用諧振元件將被測參量轉換為頻率信號的一種傳感器。當被測參量發生變化時，振動元件的固有頻率會隨之改變，通過相應的檢測電路，就可以得到與被測參量成一定關系的電信號［1］。傳感器信號本身無法被檢測到，必須具有外圍接口電路為其提供必要的信號放大、處理及驅動等電路功能，接口電路的性能決定了傳感器的精度。隨著環境監測、醫療電子、紅外探測、戰場感知等對小型化、低功耗、快速響應、高精度、高可靠的新一代傳感器的需求不斷增長，研究開發相匹配的高性能接口電路也變得十分迫切和突出。

1諧振式微懸臂梁傳感器接口電路

諧振式微懸臂梁傳感器的輸出信號很微弱，文獻［2］通過將信號濾波、放大處理等電路搭建成板級接口電路以滿足傳感器閉環系統的要求，其鎖相功能采用MAX038信號發生器實現;文獻［3］設計了基于FPGA的數字鎖相環(phase-lockedloop，PLL)的閉環接口電路;徐善軒等人設計的諧振式微懸臂梁便攜式氣體檢測儀中通過數字信號處理芯片DSP28335實現軟件鎖相的功能［4］;PLL是實現頻率捕獲和跟蹤微懸臂梁的閉環電路關鍵部分，但由于板級電路存在寄生電容、電阻、電磁環境等噪聲的影響可能會將微小信號淹沒或者產生較大誤差。為了得到更高質量的傳感器信號，本文利用MEMS-CMOS兼容工藝將鎖相環等外接處理電路與懸臂梁傳感器模塊集成到同一個芯片中，懸臂梁發生彎曲振動時，壓阻拾振電橋中的壓敏電阻Rsensor將產生微小的變化，輸出與懸臂梁振動頻率一致的電壓信號Vo，通過前級電路放大、移相、整形等電路，與接口電路形成閉環，其整體電路架構如圖1所示。

2改進型鎖相環電路設計

鎖相環應用比較廣泛，可作為鑒頻、鑒相、時鐘恢復、頻率合成、時鐘生成等電路［5］，在鎖相環反饋回路中，鑒頻鑒相器對參考時鐘與反饋時鐘比較產生相位差值信號，電荷泵和環路濾波器將信號處理為電壓信號控制壓控振蕩器，使輸出時鐘鎖定為參考時鐘的N倍［6］。

2．1鑒頻鑒相器與電荷泵電路設計

鑒頻鑒相器(PFD)如圖2(a)所示，將輸入相位差值轉換成Up和Dn信號，通過在與門輸出端增加特定的延遲單元，有效避免相位差較小時，輸出信號沒有足夠的時間建立穩定的電流，而產生的“死區”問題。電荷泵(CP)如圖2(b)采用電流轉向型結構，由軌到軌運放構成的單位增益緩沖器使電荷泵輸出端電壓始終與輸出端電壓保持一致，解決了開關管源極到襯底寄生電容充放電造成的電荷共享問題。在輸出電壓0．38～4．66V范圍內，可以實現充放電電流很好的匹配，電流失配小于1%，滿足抑制電流失配的要求。

2．2一種改進型壓控振蕩器電路設計

普通的環形振蕩器的調節范圍較窄，并且晶體管等的寄生電容進一步限定了調節范圍，本文設計改進的壓控振蕩器電路，由調整電路、環形壓控振蕩電路和輸出緩沖電路三個模塊構成。考慮速度、功耗以及抗噪聲能力等因素的情況下，本文設計的壓控振蕩器VCO由三級級聯的差動對構成及延遲單元如圖3所示。PMOS管M3和M4工作在深三極管區充當負載電阻，其值由VC控制，實現延遲時間可調，額外的M5和M6由輸入驅動，將每個輸出結點拉至電源電壓，即使ISS變化較大時也能產生相對恒定的輸出擺幅［7］。同時，尾電流源ISS由調整電路輸出Ibias經過偏置電路產生，通過調節片外電阻控制尾電流ISS改變壓控振蕩器的中心頻率。則此延遲單元電路即實現了控制電壓VC對其延遲時間的控制，又實現了通過尾電流源ISS的控制調節振蕩器輸出頻率。2．3正弦輸出電路設計由于懸臂梁傳感器的激勵信號為正弦波信號，而前級整形電路輸出為方波信號，為了使懸臂梁更好地自激振蕩并且避免信號失真引起的誤差，在鎖相環的輸出端設計方波轉換正弦電路，并限制其輸出幅度為400mV，其結構如圖4所示。首先通過前級對鎖相環輸出方波信號PLLOUT積分為三角波信號，通過結型場效應管差分放大器結構，設計合適的共模電平值以及濾波器值，使差分輸入管工作在飽和區，根據其傳輸函數，輸出電流i=IK［X/(1+X2)］［8］，IK為差分輸入對管尾電流源電流值，X為歸一化的差分輸入電壓值，與i=IK×0．5sin(π·X/2)公式相對比，使得輸出電流將輸入電壓轉換為近似平滑的相同頻率正弦波，通過電阻將電流值轉換為正弦電壓波形。

3芯片測試

相環PLL等外圍接口電路以及MEMS懸臂梁的整體芯片顯微照片如圖5(a)所示，分別標注了鎖相環PLL電路和諧振式微懸臂梁模塊。分別測試輸入為110kHz和170kHz頻率的方波信號，示波器輸出波形如圖5(b)所示，對于測試信號均實現鎖定，并且輸出幅值約為398mV，滿足自激振蕩需求。鎖相環鎖定范圍優于文獻［3］接口電路中基于FPGA的數字鎖相環，跟蹤范圍更寬，檢測數據更加精確，不宜失鎖。

4結論

對于小體積、輕重量、高精度、高可靠和環境適應能力強的新一代傳感器的需求，本文基于SOI工藝設計了應用于諧振式MEMS微懸臂梁傳感器接口電路的鎖相環電路，將傳感器模塊以及接口電路整體基于SOI制造工藝集成到同一芯片，通過改進經典電荷泵鎖相環中壓控振蕩器的結構，實現更寬范圍的頻率鎖定。結合整體芯片測試，當外部輸入信號頻率處于100～180kHz范圍內時，鎖相環實現了連續鎖定，并且輸出幅值約為400mV的正弦波，適用于微懸臂梁傳感器接口電路設計，可以實現對傳感器輸入信號的精確跟蹤。對比文獻［1～4］采用的板級電路，更加便攜小型化，抗干擾能力更強，檢測數據更加精確。

作者:張博 趙宏亮 馮佳杰 劉興輝 宦鼎來 趙野 單位:遼寧大學物理學院 中國科學院微電子研究所 北方工業大學