一种应用于八质量MEMS陀螺的低噪声前端放大电路

本发明属于信号转换电路，特别是一种低噪声的、幅频相频响应好的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路。

背景技术：

1、现如今微机电技术飞速发展，广泛应用于集成电路领域。mems技术使得人们能够在微小尺寸的材料上加工出复杂的机械结构与电路，将其应用于陀螺仪上则能够改善传统陀螺仪体积大、价格高的缺陷，更好地满足应用需求，同时可减少各种无用的资源消耗。硅微陀螺仪作为mems陀螺仪的重要分支，自问世以来就获得了极大关注，其体积小、重量轻、成本低的特性使其具有重大研究意义和应用价值。

2、硅微陀螺仪最大的特点是尺寸小，因此产生的信号变化也相当微小，给信号检测带来了很大挑战。当硅微陀螺仪的静态电容为2pf左右时，实际需要检测的电容变化量约在10-18～10-15f范围内，对其进行精确检测存在很大难度。目前硅微陀螺仪输出信号检测基本由电荷放大器与信号调制、解调电路组成，电荷放大部分为检测模态信号输出后的第一级放大。若存在噪声、寄生电容等干扰信号同样会被电路放大输入后续环节，影响整体电路质量。目前国内外主流前端电路电荷放大方法有基于充放电原理的微电容检测法、相干检测法等。传统的硅微陀螺仪相干检测法，常采用公共端差分检测或双边差分检测这两种方案。这两种方案输出信号均会受到载波信号的影响，需要对输出信号进行两次解调，增加了电路的复杂性。同时传统三运放差分放大电路采用两级级联放大，选择电阻反馈电路作为第一级放大电路。而电路噪声很大程度上受反馈电阻阻值影响，若要提高检测精度，需增大相应电阻阻值，容易引入过大的寄生电容和电路时延，存在一定程度上的缺陷。

3、因此，有必要提供一种新型低噪声的、幅频相频响应好的应用于八质量mems陀螺的前置跨阻差分放大电路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低噪声的、幅频相频响应好的八质量mems陀螺前置跨阻差分放大电路，解决现有前端放大电路存在的噪声干扰、相位偏移、电路稳定性较差等问题。本发明在现有的基础多级串联集成芯片放大电路的基础上，将传统的跨阻放大电路修正为t型跨阻网络，第二级放大集成芯片替换为三极管连接电路，能够实现更高的信噪比与更小的信号失真，得到贴近于理想情况的幅频、相频曲线，从而达到更好的前端信号放大，减小对后续放大与调制解调电路造成的干扰，从而提高整体机电接口电路的性能。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，所述电路包括t型运算放大器电阻反馈网络和改进后的三极管差分网络；

3、所述t型运算放大器电阻反馈网络，用于将检测模态电流信号转换为电压信号，并进行初级放大；所述检测模态电流信号为mems陀螺仪输出信号；

4、所述改进后的三极管差分网络，用于对t型运算放大器电阻反馈网络输出的信号进行二次放大。

5、进一步地，所述t型运算放大器网络包括两个对称的跨阻放大电路，每个跨阻放大电路均包括运算放大器与t型电阻网络；

6、所述改进后的三极管差分网络包括两个对称的三极管差分电路，分别接收两个跨阻放大电路的输出，进行信号二次放大，同时抑制共模信号输出与零点漂移。

7、进一步地，所述t型运算放大器电阻反馈网络包括第一跨阻放大电路和第二跨阻放大电路，所述第一跨阻放大电路包括第一运算放大器和第一t型电阻网络，所述第一t型电阻网络包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一运算放大器的反相端输入检测模态电流信号，同时通过串联的第一电阻、第二电阻连接其输出端，所述第一电阻与第二电阻之间通过第三电阻接地；所述第二跨阻放大电路包括第二运算放大器和第二t型电阻网络，所述第二t型电阻网络包括第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第二运算放大器的反相端输入检测模态电流信号，同时通过串联的第四电阻、第五电阻连接其输出端，所述第四电阻、第五电阻之间通过第六电阻接地；所述第一运算放大器和第二运算放大器的同相端均接地。

8、进一步地，所述改进后的三极管差分网络包括第一三极管差分电路和第二三极管差分电路，所述第一三极管差分电路包括第一npn型三极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容和第二电容；所述第一npn型三极管的b极连接第一运算放大器的输出端和第八电阻的一端，第二电容并联于第八电阻两端，第一npn型三极管的c极连接第七电阻的一端，第一电容并联于第七电阻两端，第一npn型三极管的e极依次通过第九电阻、第十电阻接地；所述第二三极管差分电路包括第二npn型三极管、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第三电容和第四电容；所述第二npn型三极管的b极连接第二运算放大器的输出端和第十二电阻的一端，第四电容并联于第十二电阻两端；第二npn型三极管的c极连接第十一电阻的一端，同时输出电压信号vout；第三电容并联于第十一电阻两端，第二npn型三极管的e极依次通过第十三电阻、第十电阻接地。

9、本发明与现有技术相比，其显著优点：

10、在现有的电路的基础上，一方面将传统跨阻放大电路替换为运算放大器与t型电阻网络构成跨阻放大电路，在一定程度上降低了电路输出端噪声，同时改善输出信号的相移，提高电路输出电压信号质量与稳定性。另一方面将后续的集成运算放大器芯片替换为三极管差分电路并对基础电路进行改进，综合了三极管与低通滤波电路的优势，维持输出信号幅值与相位稳定，减小输入与输出信号之间的相移与输出噪声，改善了整体前置放大电路的输出性能。具体地：

11、(1)所述放大电路第一级，检测模态电流信号转换为电压信号电路采用t型网络与运算放大器连接，以取代传统跨阻放大电路。t型网络作为电路的第一级放大，电路结构简单，在满足信号处理要求的电流电压转换能力与放大倍数的同时，降低了所需电阻阻值，以提高电路稳定性。t型反馈电阻网络中所有电阻均小于1megω，有效降低了温度漂移误差与输入输出信号相移误差，改善幅频、相频响应特性。

12、(2)所述第二级电压放大电路采用改进后三极管差分电路，在基础对称单端输出差分电路的基础上，偏置电阻与集电极电阻两端分别并联相应大小的电容形成低通滤波器。在电阻两端并联电容，一定程度上阻碍电压变化率，实现相位补偿与低通滤波，防止增加零点出现自激现象，从而使输出信号平滑，实现电路降噪。

13、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述电路包括t型运算放大器电阻反馈网络和改进后的三极管差分网络；

2.根据权利要求1所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述t型运算放大器网络包括两个对称的跨阻放大电路，每个跨阻放大电路均包括运算放大器与t型电阻网络；

3.根据权利要求2所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述t型运算放大器电阻反馈网络包括第一跨阻放大电路和第二跨阻放大电路，所述第一跨阻放大电路包括第一运算放大器和第一t型电阻网络，所述第一t型电阻网络包括第一电阻(r1)、第二电阻(r2)和第三电阻(r3)，所述第一运算放大器的反相端输入检测模态电流信号，同时通过串联的第一电阻(r1)、第二电阻(r2)连接其输出端，所述第一电阻(r1)与第二电阻(r2)之间通过第三电阻(r3)接地；所述第二跨阻放大电路包括第二运算放大器和第二t型电阻网络，所述第二t型电阻网络包括第四电阻(r4)、第五电阻(r5)和第六电阻(r6)，所述第二运算放大器的反相端输入检测模态电流信号，同时通过串联的第四电阻(r4)、第五电阻(r5)连接其输出端，所述第四电阻(r4)、第五电阻(r5)之间通过第六电阻(r6)接地；所述第一运算放大器和第二运算放大器的同相端均接地。

4.根据权利要求2所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述改进后的三极管差分网络包括第一三极管差分电路和第二三极管差分电路，所述第一三极管差分电路包括第一npn型三极管(q1)、第七电阻(r7)、第八电阻(r8)、第九电阻(r9)、第一电容(c1)和第二电容(c2)；所述第一npn型三极管(q1)的b极连接第一运算放大器的输出端和第八电阻(r8)的一端，第二电容(c2)并联于第八电阻(r8)两端，第一npn型三极管(q1)的c极连接第七电阻(r7)的一端，第一电容(c1)并联于第七电阻(r7)两端，第一npn型三极管(q1)的e极依次通过第九电阻(r9)、第十电阻(r10)接地；所述第二三极管差分电路包括第二npn型三极管(q2)、第十一电阻(r11)、第十二电阻(r12)、第十三电阻(r13)、第三电容(c3)和第四电容(c4)；所述第二npn型三极管(q2)的b极连接第二运算放大器的输出端和第十二电阻(r12)的一端，第四电容(c4)并联于第十二电阻(r12)两端；第二npn型三极管(q2)的c极连接第十一电阻(r11)的一端，同时输出电压信号vout；第三电容(c3)并联于第十一电阻(r11)两端，第二npn型三极管(q2)的e极依次通过第十三电阻(r13)、第十电阻(r10)接地。

5.根据权利要求3所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述t型运算放大器电阻反馈网络中的电阻均小于1megω。

6.根据权利要求3所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述第一跨阻放大电路的输出电压信号vout为：

7.根据权利要求4所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述第一三极管差分电路差模增益avd为：

8.根据权利要求4所述的应用于八质量mems陀螺的低噪声前端放大电路，其特征在于，所述第二电容(c2)、第四电容(c4)的容值为1μf。

技术总结
本发明公开了一种应用于八质量MEMS陀螺的低噪声前端放大电路，包括由运算放大器与T型电阻网络构成跨阻放大电路与改进后的三极管差分放大电路。该电路的结构设计相比传统跨阻放大电路，通过对三极管差分电路的改进提高了幅频、相频稳定性并实现了相位补偿，使输出信号具有更好的信噪比和相位误差；同时改进了传统跨阻电路中寄生电容和时延缺陷的影响，降低了电路的馈通噪声。因此本发明提出的电路组合和电路改进方案能够实现更高的信噪比与更小的信号失真，得到贴近于理想情况的幅频、相频曲线，从而达到更好的前端信号放大，减小对后续放大与调制解调电路造成的干扰，从而提高整体机电接口电路的性能。

技术研发人员：陈雨齐,万梦婷,周欣然,姜波
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15