2017年第36卷第11期
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）
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DOI:10.13873/J.10009787(2017)11009904
压电传感器信号调理及输出芯片设计
王远，周怡妃，王小龙，吴付岗
（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900）
摘要：为了提高压电传感器测量系统的集成度，采用1μm高压双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺，设计了一种适用于压电传感器的信号调理及输出芯片。集成了电压放大型阻抗变换电路、可调增益放大电路、二线制电流输出电路。仿真结果表明：芯片具有输入阻抗高，单位增益带宽大，总增益可调范围广等特点，在12~24V宽供电范围下可正常工作，耗电仅为3.1mA。
关键词：压电传感器；集成电路设计：高压双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体工艺；可调增益放大电路；电流型输出
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)11-0099-04
Signal conditioning of piezoelectric sensor and
designof outputchip
WANG Yuan, ZHOU Yi-fei, WANG Xiao-long, WU Fu-gang
(Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China) Abstract:In order to improve integration of measurement system based on piezoelectric sensor, a signal conditioning and output chip for piezoelectric sensor is designed by employing 1 μm high-voltage bipolar-CMOS-DMOS( BCD) process. The proposed chip consists of impedance conversion circuit based on voltage amplifier, programmable gain amplifying circuit, and two-wire current output circuit. Simulation results show that the e e eeen eead d saeae s a o s ono eon dsi aee Key words：piezoelectric sensor;integrated cireuit design;high-voltage bipolar-CMOS-DMOS （BCD) technology ; programmable gain amplifier; current output
0引言
传统的集成电路压电（integrated circuitpiezoelectric， ICP)传感器"，采用体积较大的分立式电子元器件实现电荷放大电路，限制了传感器集成度的进一步提高。其次， ICP传感器广泛采用二线制电压输出，后端电路采用恒流源供电，实际应用中，恒流电源选定需要根据电缆长度确定2]，加大了传感系统应用的复杂性；而且恒流电源的稳定性对ICP传感器的灵敏度有较大的影响[3]。再次，电压型输出抗噪性能较差，易受到来自电磁场噪声及机械振动摩擦引入的电缆噪声的干扰
为了进一步提高压电传感器测量系统的集成度，提升测量系统在工业环境下的供电适应性和输出抗噪能力，本文设计了一种集成的压电传感器信号调理及输出芯片。该芯片采用1μm双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体（bipolar-CMOS-DMOS,BCD）工艺库的集成
收稿日期：2016-09-27
电路设计技术，片内集成了电压放大型阻抗变换电路，具有可调增益放大电路以及二线制电流输出电路。芯片具有高输人阻抗、可调电压增益以及宽供电范围等优点，与压电晶体结合，形成更适用于工业应用环境的新型ICP传感器。 1芯片总体设计
压电加速度传感器专用信号调理及输出芯片，其结构如图1所示，包括电压放大电路、可调增益放大电路（pro-grammablegainamplifier,PGA）及电流输出级电路。电路整体采用集成电路设计，提高了系统的集成度，降低了测量电路的总功耗。
电压放大电路用于将压电敏感元件（压电晶体）的高输出阻抗变为较低阻抗；可调增益放大电路用于将信号进一步放大，并归一化到电流输出电路所需的电压范围：PGA 的低频截止点及增益，可由外部输入调节，以适应不同的压电敏感体；电流输出电路满足二线制传输的需求，用于完成宽输人范围电压的转换，向前端电路提供供电电压，以及将