应用于MEMS惯性器件的1/f噪声的带隙电压基准电路制造技术

本发明专利技术属于模拟集成电路设计技术领域，公开了一种应用于MEMS惯性器件的1/f噪声的带隙电压基准电路，带隙电压基准电路由电流源模块、温度敏感模块、频率补偿模块、比例电阻模块、斩波放大器模块组成。本发明专利技术通过在电流源模块和运算放大器模块处加入斩波开关来对信号进行调制，并在电路中加入频率补偿模块，从而大幅减弱电路中1/f噪声的影响并提高电路的闭环稳定性。通过合理调节比例电阻参数，即可在斩波放大器中输出与温度无关的电压值。解决了MEMS惯性器件中由由低频1/f噪声引起的MEMS惯性器件的零位稳定性差和阈值分辨率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
应用于MEMS惯性器件的1/f噪声的带隙电压基准电路
本专利技术属于模拟集成电路设计
，尤其涉及一种应用于MEMS惯性器件的1/f噪声的带隙电压基准电路。
技术介绍
目前，由于温度、工艺偏差等非理想因素的影响，实际电源中往往存在着各种噪声。而随着MEMS惯性器件的尺寸在不断缩小，这种噪声的影响也越来越严重。针对温度偏移，一种常见的解决办法是采用带隙电压基准电路(BandgapVoltageReferenceCircuit)作为电路中的参考电压电路，因其可以提供与温度无关的稳定参考电压。同时，为了减少工艺偏差带来的运放失调电压和噪声的影响，带隙电压基准电路中往往还要在跨导运算放大器(OperationalTans-conductanceAmplifier，OTA)中加入斩波开关()来消除1/f噪声和失调电压的影响。如图1是一种典型的带斩波放大器的带隙电压基准电路，包括一组由OTA输出端驱动的电流源、一对反馈电阻、一个带有斩波的跨导运算放大器和一个分量模块。电阻R1、R2分别与OTA和电流源形成负反馈和正反馈回路，分量模块中电阻3提供正温度系数的电压，晶体管1和晶体管2提供负温度系数的电压，通过合理调节参数即可在OTA输出端得到与温度无关的稳定电压。MEMS惯性器件的信号调理电路对参考电压的要求非常高，其低频1/f噪声很大程度上决定了器件的零偏稳定性和分辨率等关键参数。在现有的一些设计中，尽管OTA中的失调电压和1/f噪声得到了抑制，但由电流源的非理想性和电阻对R1、R2的工艺偏差引入的噪声和环路不稳定因素仍不能有效地消除。显然这种结构的电路已不能满足高精度稳定的参考电压设计。另外，对参考电压的要求是稳定可靠，图1所示的结构中，存在正负反馈两个环路，只有当负反馈系数大于正反馈系数时，模块才是稳定可靠的。并且这种稳定性是随着工作电流、负载电容和环境温度的变化而变化的。提升参考电源模块的可靠性和稳定性是非常有必要的。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有技术中，MEMS惯性器件中由加工工艺、温度等偏差和1/f噪声引起的误差引起的MEMS惯性器件的零位稳定性差和阈值分辨率低。(2)现有技术中，大多采用了低1/f噪声的斩波放大器，忽略了电流源地低频噪声。(3)现有技术中，对基准源的可靠性研究不足。解决以上问题及缺陷的难度为：包括：不同的应用场景，以及应用场景下性能提升的有效性措施。解决以上问题及缺陷的意义为：本专利技术设计了一种应用于MEMS惯性器件的低1/f噪声电压基准源电路，能够有效地抑制电路中电流源引入的1/f噪声和运放中的1/f噪声，并且通过频率补偿提高了反馈环路的稳定性，使得MEMS惯性器件在不同的温度和工艺偏差下有更精准的稳定参考电压，提升MEMS惯性器件的零偏稳定性和分辨率。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种应用于MEMS惯性器件的1/f噪声的带隙电压基准电路，具体涉及一种应用于MEMS惯性器件的高可靠极低1/f噪声的带隙电压基准电路。本专利技术是这样实现的，一种具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，包括：电流源模块，包括PMOS管，所述PMOS管的栅电压电连接斩波放大器的输出电压，所述PMOS管的漏极与信号调制模块相连接；由MOS管组成的斩波开关电路，串接在电流源模块和反馈电阻模块之间；用于将电流源模块中的噪声部分调制到高频，抑制1/f噪声和失调电压的影响；比例电阻模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，所述第一电阻R1、第二电阻R2串接在信号调制模块和斩波放大器模块之间；频率补偿模块，由RC低通滤波器与信号调制模块和反馈电阻模块相接，用于滤除高频噪声并且通过在回路中引入一个低的主极点，实现电路的主、次极点分离；所述回路包括：第一电阻R1、运放和电流源模块构成的正反馈回路，第二电阻R2与运放、电流源模块构成负反馈回路；斩波放大器模块，由两个斩波开关和一个跨导运算放大器构成，第一斩波开关电连接在跨导运算放大器的两个输入端，用于信号的调制；第二斩波开关电连接在跨导运算放大器的输出端，用于信号的解调；温度敏感模块，由一对镜像设置的晶体管Q1、Q2组成；用于生成温度的负相关的电压和正相关的电压，通过调节电阻R2的R3比例，在斩波放大器模块中输出与温度无关的电压值。进一步，所述第一电阻R1、第二电阻R2两电阻阻值大小相同；所述第一电阻R1、第二电阻R2的阻值通过外加控制信号调节；其中，第一电阻R1与斩波放大器的同相输入端相连,第二电阻R2与斩波放大器模块的反相输入端相连。进一步，所述频率补偿模块与信号调制模块和第一电阻R1的公共端相接；所述频率补偿模块由一个电容C1和一个电阻R4串联组成。进一步，所述频率补偿模块中总的环路增益为负反馈环路增益与正反馈环路增益之差，为：LG总＝LG--LG+；其中，Aop(s)为运放的开环增益，gmp为电流源PMOS管M1和M2的跨导，gmQ为晶体管Q1和Q2的跨导。进一步，所述斩波放大器模块的输出端电压VOUT即为电流源模块的栅极驱动电压。进一步，所述一对镜像设置的晶体管Q1、Q2的基极和集电极均接地；晶体管Q1的发射极与电阻R1和斩波放大器的反相输入端的公共端相接；晶体管Q2的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R2和斩波放大器的同相输入端的公共端相接；晶体管Q1和Q2用于提供和温度负相关的电压，电阻R3中流过与温度呈正相关的电流，也提供和温度正相关的电压。本专利技术的另一目的在于提供一种生物与医药行业领域的MEMS惯性器件，所述生物与医药行业领域的MEMS惯性器件搭载所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，应用于湿度、温变和静电放电不同环境应力条件。本专利技术的另一目的在于提供一种汽车工业领域的MEMS惯性器件，所述汽车工业领域的MEMS惯性器件搭载所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，应用于冲击、振动不同环境应力条件。本专利技术的另一目的在于提供一种机器人、消费类电子、航空航天、导弹制导领域的MEMS惯性器件，所述机器人、消费类电子、航空航天、导弹制导领域的MEMS惯性器件搭载所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，应用于冲击、振动、湿度、温变、辐照和静电放电不同环境应力条件。本专利技术另一目的在于提供一种具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路的噪声消除方法，所述噪声消除方法包括：该电路中，1/f噪声贡献大的元件依次为放大器、镜像电流源和底部的三极管。采用斩波技术降低元件的1/f噪声，通过在元件的输出端添加斩波开关，将该元件产生的1/f噪声调制到高频处，致使我们关心的低频处只有热噪声，大大降低输电压的1/f噪声。对于放大器，采用单端输出的折叠式共源共栅放大器，在其差分对管输入端和输入端分别添加斩波开关，其有用的输入信号结过两次斩波，依然为低频信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，其特征在于，所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路包括：/n电流源模块，包括PMOS管，所述PMOS管的栅电压电连接斩波放大器的输出电压，所述PMOS管的漏极与信号调制模块相连接；/n由MOS管组成的斩波开关电路，串接在电流源模块和反馈电阻模块之间；用于将电流源模块中的噪声部分调制到高频，抑制1/f噪声和失调电压的影响；/n比例电阻模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3所述第一电阻R1、第二电阻R2串接在电流源斩波开关和斩波放大器模块之间；/n频率补偿模块，由RC低通滤波器与信号调制模块和反馈电阻模块相接，用于滤除高频噪声并且通过在回路中引入一个低的主极点，实现电路的主、次极点分离；所述回路包括：第一电阻R1、运放和电流源模块构成的正反馈回路，第二电阻R2与运放、电流源模块构成负反馈回路；/n斩波放大器模块，由两个斩波开关和一个跨导运算放大器构成，第一斩波开关电连接在跨导运算放大器的两个输入端，用于信号的调制；第二斩波开关电连接在跨导运算放大器的输出端，用于信号的解调；/n温度敏感模块，由一对镜像设置的晶体管Q1、Q2组成；用于提供和温度负相关的电压、正相关的电压，还通过调节R2和R3的比例，在斩波放大器模块中输出与温度无关的电压值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，其特征在于，所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路包括：
电流源模块，包括PMOS管，所述PMOS管的栅电压电连接斩波放大器的输出电压，所述PMOS管的漏极与信号调制模块相连接；
由MOS管组成的斩波开关电路，串接在电流源模块和反馈电阻模块之间；用于将电流源模块中的噪声部分调制到高频，抑制1/f噪声和失调电压的影响；
比例电阻模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3所述第一电阻R1、第二电阻R2串接在电流源斩波开关和斩波放大器模块之间；
频率补偿模块，由RC低通滤波器与信号调制模块和反馈电阻模块相接，用于滤除高频噪声并且通过在回路中引入一个低的主极点，实现电路的主、次极点分离；所述回路包括：第一电阻R1、运放和电流源模块构成的正反馈回路，第二电阻R2与运放、电流源模块构成负反馈回路；
斩波放大器模块，由两个斩波开关和一个跨导运算放大器构成，第一斩波开关电连接在跨导运算放大器的两个输入端，用于信号的调制；第二斩波开关电连接在跨导运算放大器的输出端，用于信号的解调；
温度敏感模块，由一对镜像设置的晶体管Q1、Q2组成；用于提供和温度负相关的电压、正相关的电压，还通过调节R2和R3的比例，在斩波放大器模块中输出与温度无关的电压值。


2.如权利要求1所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2两电阻阻值大小相同；所述第一电阻R1、第二电阻R2的阻值通过外加控制信号调节；其中，第一电阻R1与斩波放大器的同相输入端相连,第二电阻R2与斩波放大器模块的反相输入端相连。


3.如权利要求1所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，其特征在于，所述频率补偿模块与信号调制模块和第一电阻R1的公共端相接；
所述频率补偿模块由一个电容C1和一个电阻R4串联组成。


4.如权利要求1所述具有低1/f噪声斩波稳定的带隙电压基准电路，其特征在于，所述频率补偿模块中总的环路增益为负反馈环路增益与正反馈环路增益之差，为：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，
申请(专利权)人：北京迪浩永辉技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11