应用于MEMS谐振器的跨阻放大器设计及实现

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高Q值、高谐振频率的微机械(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)圆盘谐振器具有尺寸小、成本低、与CMOS工艺兼容性的特点,已成为一种潜在取代石英和陶瓷晶振的小型化电子系统。高集成度的MEMS振荡器芯片是未来无线通信系统发展的必然趋势。本论文基于国家自然科学基金重点项目(集成化高性能微纳机电射频谐振器件研究)对MEMS谐振器驱动芯片展开研究,采用TSMC0.18um RF CMOS工艺实现了一款用于驱动MEMS圆盘谐振器的高增益、低噪声和低功耗跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)。芯片面积为1538μm×680μm。  本研究主要内容包括:⑴完成了跨阻放大器芯片电路设计、版图设计和测试。⑵针对MEMS振荡器芯片的低功耗要求,设计了一款高增益、低噪声和低功耗跨阻放大器。提出了一种新型的宽带电流放大和Cherry-Hooper反相电压放大单元电路结构。⑶设计了一款TIA的偏置电路,能抵抗PTAT电流和偏置电压VB3在工艺制造上以及随温度变化的微小误差,利于芯片的调试。⑷TIA采用的跨阻增益及等效输入参考噪声电流谱密度测试方法,相比于业界其他论文使用的时域测试方法,稳定,可靠,非常实用。⑸测试结果表明,该TIA在300KHz到100MHz范围内跨阻增益高达73dBΩ,-3dB带宽163MHz,控制码BPX<3∶0>为0101,BPC<3∶0>为1000时,电路总静态电流为12mA,折算功耗为21.6mW。163MHz处的等效输入参考噪声电流谱密度低至14pA/√Hz,芯片面积(包括所有PAD)为1538μm×680μm。
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