一种MEMS传感器基准电流源的设计和实现

 

    微机电系统（Microelectro?Mechanical?Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。基于此，本文提出一种可用于MEMS气体传感器的基准电流源设计方案，该方案能够满足MEMS传感器技术条件下的低温度漂移、高电源抑制比（PSRR）的特点。

   MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

    1 基准电流源原理分析

    1.1 Widlar型基准电流源小信号建模

    Widlar型基准电流源如图1所示[2],由于Q1、M4采用二极管连接的方式，故可分别用一个电阻表示；M3、M5可分别用一个电压控制电流源与电阻并联表示。由BJT小信号模型可知，Q2可用一个等效的电压控制电流源与等效电阻并联表示[3],Widlar型基准电流源小信号模型如图2所示。

    由于V2的电压受自偏置结构影响，内部存在的反馈环路能够保持电压稳定，从而由图1电路可以得到一个稳定电流。图2中，g′m2为Q2和R的等效跨导，R′为Q2和R的输出电阻。由电路等效理论可知：

    其中，由于分母是1减去环路增益，可得到该电路中存在的反馈为正反馈。理论上只有越小的环路增益才能获得更小的    闭环增益，根据上述理论分析，为了获得具有高电源抑制能力的电流源且电路稳定，本设计采取更改反馈属性以增大环路增益。

    1.2 高阶曲率补偿理论分析

    电流源温度系数补偿电路目前应用较为广泛的是利用Widlar电路产生PTAT电流，BJT的BE结产生负温度系数电流，再由两者互相补偿，产生基准电流Iref[4].电流补偿如图3所示。

    BJT中BE结电流方程为：

    2 具体电路实现

    图4为基准电流源设计电路。如不加说明，则认为所有PMOS管衬底接电源电压；所有NMOS管衬底接地电压。图中，C、D部分为基准电流电路，C部分产生IPTAT.依据上述基准电流源原理分析，在Widlar电流源框架下通过断开Q1的二极管连接，加入运算放大器并改变反馈属性以提高反馈系数。为了降低电路的复杂度，加入单级差分运放。D部分为产生IV和INL实现电路，

 

    3 仿真与讨论

    本文设计方案经由SMIC 0.35 μm BICMOS工艺、Hspice验证仿真，Cscope图形查看软件综合。

    图5为Widlar型基准电流源反馈环路不同增益下基准电流PSRR曲线。由图5可以看出，在反馈环电路中添加运算放大器时，PSRR为144.07 dB;未添加运算放大器时，PSRR为134.37 dB.

    图6为基准电流源温度特性曲线。温度变化范围为-30 ℃~100 ℃，基准电流平均值为15.394 μA,电流变化范围为24.833 nA,基准电流温度系数为12.4 ppm/℃。

    将本文设计方案与部分参考文献主要参数进行比较，结果见表1[5-7].从表1可见，该基准电流源具备良好的性能指标，可应用于MEMS传感器系统的高PSRR和低温度系数环境中。