CN108489477B - 一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，包括第一结型场效应管，第二结型场效应管，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第一电容，第二电容。该电路采用半导体一次集成实现，采用低噪声N型JFET工艺实现了电路的超低噪声性能，电路仅由8个元件构成，相对于传统的MEMS传感器检测电路具有结构简单、体积小、功耗低、可靠性高等优点。便于与陀螺仪敏感元件二次集成，通过将陀螺仪敏感元件和微小信号拾取电路封装到一个地线包围的密闭环境里，从而可进一步提高***的抗干扰特性和电磁屏蔽能力。本发明在电路中实现了带通滤波，滤除了敏感结构的干扰，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明属于MEMS领域，涉及硅微机械传感器接口电路的设计，特别涉及到一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路及其与陀螺仪敏感元件接口部分的低噪声和抗干扰处理方法。
背景技术
硅微机械陀螺仪具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点，在军民两用市场均具有较好的应用前景。在硅微机械陀螺仪***的设计中，陀螺仪敏感元件与处理电路的接口部分的设计尤为关键。传统的硅微机械传感器接口电路由分立元件在PCB板上连接实现，不但体积大、分辨率低，而且稳定性差、可靠性低，使硅微机械传感器的优势大打折扣。国内目前还不具备将硅微陀螺仪敏感结构与处理电路进行单片集成的能力，普遍采用的是PCB板级集成和MCM二次集成的方法，这两种集成方法较单片集成引入的噪声更大，所以传感器微小信号检测电路首先要解决的就是低噪声设计技术，除了要对敏感结构的机械噪声以及***环境噪声具有较强的免疫力以外，还要求电路自身具有较低的噪声系数。
目前最常用的传感器小信号拾取电路芯片是通过高频调制的方法实现的，将传感器输出的微小信号调制到高频段，避免传感器的低频机械噪声及热噪声对微弱信号的干扰，传感器输出的微小信号在高频段进行放大后，再通过解调滤波最终输出待检测的信号。这种方法虽然也可以实现对传感器微弱信号的检测，但是电路结构复杂，需要高频载波发生器、放大器、解调滤波器等多个复杂的电路模块。另外，这种高频调制的检测方法比较适合于开环加速度计的微小信号检测，而对于利用科里奥利效应工作的硅微机械陀螺仪来说，由于高频载波发生器难于与陀螺仪表头的谐振频率同步，所以检测精度会受到很大限制。另外，这种调制解调检测方法需要给机械主体施加高频开关信号，容易引入开关噪声和电子耦合。
发明内容
本发明提出了一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路设计方案及其与陀螺仪敏感元件接口部分的低噪声和抗干扰处理方法。能够克服传统分立元器件方案的***体积大、分辨率低、稳定性差、可靠性低、抗干扰能力差等缺点，与常用的MEMS传感器小信号检测电路相比，结构简单、功耗低、低噪声特性易实现。
本发明的技术方案如下：
提供一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，包括第一结型场效应管，第二结型场效应管，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第一电容，第二电容；
第一结型场效应管的栅极接收机械陀螺仪输出的电流信号，并经第一电阻连接电源负极，源极连接电源负极，第一电容连接在栅极与漏极之间，漏极作为信号输出端；
第二结型场效应管的栅极与源极之间连接第二电容，漏极连接电源正极，源极连接第一结型场效应管的漏极；
第三电阻和第四电阻串联在电源正、负极之间，第二电阻一端连接第三电阻和第四电阻的公共点，另一端连接第二结型场效应管的栅极。
优选的，所述第一结型场效应管和第二结型场效应管采用低噪声N型JFET工艺制作。
优选的，微小信号拾取电路制作成芯片与机械陀螺仪敏感元件进行多芯片组件(MCM)二次集成封装，敏感元件的支撑轴接入直流电压。
优选的，微小信号拾取电路制作的芯片用环氧树脂粘合在机械陀螺仪敏感元件的上层耐热玻璃上，微小信号拾取电路输入端置于距离机械陀螺仪敏感元件的电容检测极板压焊点最近的地方，与机械陀螺仪敏感元件通过压焊丝直接连接。
优选的，将二次集成封装的管壳的金属盖板与管壳基板的地线层相接，使机械陀螺仪敏感元件与微小信号拾取电路芯片封装到地线包围的密闭环境。
优选的，微小信号拾取电路的中频增益为
其中，
gm1为第一结型场效应管的跨导，r01第一结型场效应管的输出电阻，r02为第二结型场效应管输出电阻。
优选的，微小信号拾取电路的传输函数为：
其中，C1为第一电容的电容值，C2为第二电容的电容值，R2为第二电阻的电阻值，gm1为第一结型场效应管的跨导，gm2为第二结型场效应管的跨导，
r01第一结型场效应管的输出电阻，r02为第二结型场效应管输出电阻。
本发明相对于现有技术的优点：
(1)本发明与常用的高频调制小信号检测方法相比，其最大的优点就是结构简单、功耗低，适用于硅微机械陀螺仪的小信号检测。
(2)本发明采用的器件仅包括结型场效应管、电阻和电容，因此体积小巧，便于与陀螺仪敏感元件二次集成，通过将陀螺仪敏感元件和微小信号拾取电路封装到一个地线包围的密闭环境里，从而可进一步提高***的抗干扰特性和电磁屏蔽能力。
(3)本发明同时在电路中实现了带通滤波，滤除了敏感结构的干扰，提高了检测精度。
(4)本发明不需要给机械主体施加高频载波信号，只需加一个直流电压，使机械主体保持在一个固定的直流电压值，从而使耦合到探测电极的干扰信号被消除，获得了超低噪声水平，简化了电路结构，降低了电路功耗。
附图说明
图1是本发明一种用于硅微机械陀螺仪微小信号拾取电路的结构图；
图2是本发明微小信号拾取电路的频率特性曲线；
图3是本发明微小信号拾取电路与硅微机械陀螺仪敏感元件等效电路图；
图4是本发明微小信号拾取电路与硅微机械陀螺仪敏感元件二次集成连接的剖面图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
结合图1，为本发明的电路结构图，它由两个结型场效应管1、2，两个电容3、4，四个电阻5、6、7、8，共8个部件组成。结型场效应管J1为小信号拾取器件，也是该低噪声放大器的放大管。结型场效应管J2为放大器的负载管。电阻R1给小信号拾取器件J1提供直流偏置点，为了避免信号通过这个电阻衰减，必须保证R1的电阻值要远远大于输入端电容的阻抗值。由电阻R3、R4和R2构成的无噪声偏置，给结型场效应管J2提供直流偏置点。电容C2用于扩展放大器的带宽。C1既是密勒电容又用作电荷敏感放大器的反馈电容。
结合图2，为本发明微小信号拾取电路的频率特性曲线，可见该电路具有带通特性。电路的传输函数为：
电路的中频增益为
其中，C1为电容C1的电容值，C2为电容C2的电容值，R2为电阻R2的电阻值，gm1为结型场效应管J1的跨导，gm2为结型场效应管J2的跨导，
r01结型场效应管J1的输出电阻，r02为结型场效应管J2输出电阻。
结合图3，为本发明微小信号拾取电路与硅微机械陀螺仪敏感元件等效电路图。图中9代表陀螺仪敏感元件的机械主体，Vdrive代表施加给陀螺仪敏感元件的驱动电压，10代表陀螺仪敏感元件的电容检测极板，Cp代表检测电路输入端的总寄生电容，R1、C1和运放用于等效本发明微小信号拾取电路。由于该电路具有带通特性，可通过对电路参数的设计很好的抑制低频噪声，因此电路不必将信号调制到高频段进行放大，省去了调制、解调、滤波等复杂的处理环节，所以电路不需要给机械主体9施加高频载波信号，只需加一个直流电压VB，机械陀螺仪的支撑轴连接直流电压，使机械主体保持在一个固定的直流电压值，从而使耦合到探测电极10的干扰信号被消除，获得了超低噪声水平，简化了电路结构，降低了电路功耗。
结合图4，是本发明微小信号拾取电路与硅微机械陀螺仪敏感元件二次集成连接的剖面图。微小信号拾取电路芯片14与陀螺仪敏感元件16进行MCM二次集成封装。通常的二次集成封装是将待集成的电路裸芯分别放置于MCM管壳中各自相应的位置，裸芯之间的互连通过在MCM管壳的陶瓷基板上进行布线连接。本发明将电路裸芯14用环氧树脂粘合在敏感元件的上层耐热玻璃11上，电路的输入端置于距离敏感元件的电容检测极板压焊点17最近的地方，电路与敏感元件通过压焊丝15直接连接，避免了管壳基板上寄生效应及基板布线对陀螺敏感元件输出的微小电容信号的干扰。另外，在二次集成管壳设计时，将二次集成管壳的金属盖板与管壳基板的地线层相接，这样就将陀螺仪敏感元件和微小信号拾取电路封装到一个地线包围的密闭环境里，从而可进一步提高***的抗干扰特性和电磁屏蔽能力。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，其特征在于：包括第一结型场效应管(J1)，第二结型场效应管(J2)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第一电容(C1)，第二电容(C2)；
第一结型场效应管(J1)的栅极接收机械陀螺仪输出的电流信号，并经第一电阻(R1)连接电源负极，源极连接电源负极，第一电容(C1)连接在栅极与漏极之间，漏极作为信号输出端；
第二结型场效应管(J2)的栅极与源极之间连接第二电容(C2)，漏极连接电源正极，源极连接第一结型场效应管(J1)的漏极；
第三电阻(R3)和第四电阻(R4)串联在电源正、负极之间，第二电阻(R2)一端连接第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的公共点，另一端连接第二结型场效应管(J2)的栅极；
微小信号拾取电路的中频增益为
其中，
gm1为第一结型场效应管(J1)的跨导，r01第一结型场效应管(J1)的输出电阻，r02为第二结型场效应管(J2)输出电阻；
微小信号拾取电路的传输函数为：
其中，C1为第一电容(C1)的电容值，C2为第二电容(C2)的电容值，R2为第二电阻(R2)的电阻值，gm1为第一结型场效应管(J1)的跨导，gm2为第二结型场效应管(J2)的跨导，
r01第一结型场效应管(J1)的输出电阻，r02为第二结型场效应管(J2)输出电阻。
2.如权利要求1所述的用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，其特征在于：所述第一结型场效应管(J1)和第二结型场效应管(J2)采用低噪声N型JFET工艺制作。
3.如权利要求1所述的用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，其特征在于：微小信号拾取电路制作成芯片与机械陀螺仪敏感元件进行多芯片组件(MCM)二次集成封装，敏感元件的支撑轴接入直流电压。
4.如权利要求3所述的用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，其特征在于：微小信号拾取电路制作的芯片用环氧树脂粘合在机械陀螺仪敏感元件的上层耐热玻璃(11)上，微小信号拾取电路输入端置于距离机械陀螺仪敏感元件的电容检测极板压焊点(17)最近的地方，与机械陀螺仪敏感元件通过压焊丝(15)直接连接。
5.如权利要求3所述的用于硅微机械陀螺仪的微小信号拾取电路，其特征在于：将二次集成封装的管壳的金属盖板与管壳基板的地线层相接，使机械陀螺仪敏感元件与微小信号拾取电路芯片封装到地线包围的密闭环境。
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