An improved two-stage capacitive feedback transimpedance amplifier for high-performance MEMS resonance pressure sensor

Abstract In order to improve the performance of MEMS resonant pressure sensors, it is important to design a transimpedance amplifier (TIA) circuit with high gain, low noise and stability. A novel ultra-low noise TIA topology is proposed to be used as an interface circuit for sensors. The new TIA topology greatly relaxes the trade-off among gain, bandwidth and noise. An input reference current noise density of 3.25 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>fA</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>Hz</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:msqrt> </mml:mrow> </mml:math> is achieved, and the new TIA structure eliminates the DC bias introduced by the noiseless capacitor feedback network. The TIA topology also achieves 50 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>M</mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> transimpedance gain. For circuit validation, a closed-loop system based on phase-locked loop detection is used in this paper. In this paper, a pressure sensor compatible with the vibration pattern of a wide detection cell and the sensitivity of a narrow detection cell is tested. The sensor system is tested to validate the effectiveness of the proposed TIA, demonstrating a noise floor of 5 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>V</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , a pressure response of 73.69 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Hz</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mpadded width="0"> <mml:mphantom> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Hz</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>kPa</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mphantom> </mml:mpadded> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>kPa</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , and linearity of 0.99999.