12、高灵敏度MEMS微传感器与超宽带天线设计

高灵敏度MEMS微传感器与超宽带天线设计

1. 高灵敏度跨阻放大器用于MEMS微传感器

在MEMS电容式传感器的研究中，目标是开发一种能够检测飞法（femto - farad）范围内电容式MEMS传感器电流变化的电路拓扑，以实现进一步的CMOS - MEMS集成。电容式传感器采用静电驱动，使用频率低于其共振频率的交流信号，具体模型中使用了2.5V、20kHz的交流电压信号和5V的直流电压信号，直流电压用于建立结构的静态平衡，交流电压驱动其稳定振荡。根据传感器模拟结果，所提出的电路必须能够检测最小5nA的测量范围。

1.1 电路拓扑模拟

由于偏置电压、机械位移约束和高阻抗节点的影响，电流信号幅度处于纳安范围。为了克服这一问题，采用CMOS连续时间电压方法，建议使用高灵敏度的电流 - 电压转换器，即跨阻电路（TIA）。TIA拓扑由一个电压放大器和并联 - 并联反馈电阻组成，其输出电压公式为：
[v_{o}= - R_{F}\cdot i_{in}]
对于极低电流检测，为了获得所需增益可能需要非常大的电阻，例如5nA电流需要1GΩ电阻才能达到1V/1nA的灵敏度，但这对于CMOS片上系统来说面积消耗过大。为避免这一缺点，提出了T网络架构，其输出电压公式为：
[v_{o}= - k\cdot R_{F}\cdot i_{in}]
其中，
[k = 1+\frac{R_{2}}{R_{1}}+\frac{R_{2}}{R}]

使用Mentor Graphics Tanner T - Spice v16.0软件进行数值模拟，实现了一个理想放大器宏模型（VCVS）。该电路是一个增益为2K的差分放大器、单极点滤波器和单位增