بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله،یک تقویت کننده مبدل امپدانس - - TIA کم نویز برای سنسور شتابسنج خازنی MEMS طراحی شده است که در آن پارامترهای کلیدی - نویز پایین،مساحت قطعه کم،توان تلفاتی پایین - ادوات MEMS بطور قابل ملاحظه ای بهبود یافته است. تقویت کننده با استفاده از تکنولوژی TSMC .18um cmosطراحی و شبیه سازی
شده است و دارای بهره 73.2dB ،نویز جریان ارجاعی به ورودی1Hz،پهنای باند 101.6MHz و توان تلفاتی فقط 739.6µW میباشد.
مقدمه
در فناوری میکروالکترومکانیکی - - MEMS به کوچک سازی قطعاتی که شامل اجزای مکانیکی و الکترونیکی هستند پرداخته می شود.شتابسنج خازنی MEMS بدلیل مزایای فراوان از جمله توان تلفاتی پایین ، مساحت قطعه کم ، ساخت آسان و مقرون بصرفه بودن دارای کاربرد گسترده ای در زمینه تجاری،نظامی و صنعت پزشکی می باشد[1] .در شکل 1 بلوک دیاگرام شتابسنج خازنی MEMS نشان داده شده است که شامل اجزای مکانیکی سنسور،بخش آنالوگ و بخش دیجیتال می باشد.
همانطور که در این شکل مشخص است یکی از بخشهای اساسی در قسمت آنالوگ،تقویت کننده مبدل امپدانس میباشد که وظیفه آن دریافت سیگنال جریان خروجی قسمت مکانیکی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی جهت پردازش در قسمتهای بعدی سیستم است.با توجه به اینکه سیگنال جریان خروجی قسمت مکانیکی یک سیگنال بسیار کوچک میباشد لذا برای آشکارسازی آن و همچنین داشتن نسبت سیگنال به نویز مطلوب،تقویت کننده مبدل امپدانس باید دارای نویز ارجاعی به ورودی پایینی باشد.
شکل -1 بلوک دیاگرام شتاب سنج خازنی MEMS
مبدل شتابسنج خازنی
شکل 2 و [2] 3 اساس کار مبدل شتابسنج خازنی MEMS را نشان می دهند.
شکل -2 مبدل شتابسنج خازنی MEMS
شکل -3 اساس کارمبدل شتابسنج خازنی MEMS
شکل -4 آشکارسازی is توسط تقویت کننده مبدل امپدانس
که در آن شتاب باعث جابجایی جرم محک - - proof mass و جابجایی باعث تغییر خازن می شود.اکنون این تغییر خازن باید توسط یک مدار رابط آشکار و به ولتاژ تبدیل شود.تقویت کننده مبدل امپدانس همانند شکل 4 با بوجود آوردن یک امپدانس ورودی کوچک باعث آشکارسازی جریان is و تبدیل آن به ولتاژ می شود.
در شکل 3 اگر تغییر مکان یا جابجایی - - ∆x در مقایسه با x0 خیلی کوچک باشد آنگاه ولتاژ در گره آشکارسازی بصورت معادله - 1 - بیان می شود که بیانگر یک تقسیم ولتاژ می باشد:
که در معادله بالا x0 شکاف بین شانه ها،c0 خازن آشکار ساز،vm دامنه ولتاژ مدولاسیون و cp خازن پارازیتی در گره آشکارسازی است.
مدار معادل مبدل شتابسنج خازنی در شکل 5 نشان داده شده است،در این شکل منبع جریان is نشان دهنده ی جریان خروجی مبدل متناسب با شتاب می باشد.همچنین خازن cp نشان دهنده ی مجموع خازنهای پارازیتی در گره آشکارسازی مبدل شتابسنج می باشد این خازن می تواند باعث تضعیف سیگنال خروجی مبدل شود اما تقویت کننده مبدل امپدانس با بوجود آوردن یک زمین مجازی در پایه معکوس کننده مانع تضعیف سیگنال خروجی مبدل بوسیله خازن پارازیتی cp می شود.با توجه به [2] مقدار این خازن 60ff انتخاب شده است.
شکل -5 مدار معادل مبدل شتابسنج خازنی
