高精度低噪聲MEMS陀螺儀電容讀出電路*

唐興剛,龍善麗,劉 艷

(北方通用電子集團有限公司,江蘇 蘇州 215163)

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高精度低噪聲MEMS陀螺儀電容讀出電路*

唐興剛*,龍善麗,劉 艷

(北方通用電子集團有限公司,江蘇 蘇州 215163)

在研究電容式微機械陀螺信號通路工作原理的基礎(chǔ)上,分析了影響電容式讀出電路精度的各種非理想因素并進行了量化計算,設(shè)計了一款低噪聲電容讀出電路。該芯片采用高頻調(diào)制原理實現(xiàn)了低頻噪聲的轉(zhuǎn)移,同時提出了一款具有高電源抑制比的低噪聲運算放大器,采用連續(xù)時間的電容讀出方法研制了微機械陀螺ASIC電路。該芯片采用0.5 μm CMOS工藝,芯片面積為3.5mm×3.4 mm,測試結(jié)果表明,該單片ASIC的輸出級噪底為-117 dB,當(dāng)陀螺儀量程為±300°/s時,分辨率可以達到0.00035°/s。

MEMS陀螺儀;低噪聲;解調(diào);電荷放大器;讀出電路

陀螺儀是一種用于測量角速度的慣性傳感器。其廣泛應(yīng)用于自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車牽引控制系統(tǒng)、相機影像穩(wěn)定系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)等等[1-2]。雖然光纖陀螺因其精度高而常被人們用于航空、航天等領(lǐng)域,然而,其高昂的價格也限制了它的廣泛應(yīng)用[1]。MEMS陀螺具有體積小、重量輕、可靠性高、易集成等諸多優(yōu)點[3],在商業(yè)和民用等領(lǐng)域逐漸成為當(dāng)今主流的角速度檢測傳感器。

微機械陀螺的種類很多,按檢測方式可以分成電容式、壓阻式、壓電式、光電式以及隧道式陀螺等[4]。電容式微機械陀螺因其具有體積小、重量輕、溫度特性好以及噪聲抑制能力強等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。其檢測電路通常采用以下幾種方式實現(xiàn):開關(guān)電容電荷積分電路,連續(xù)時間電流模式電路以及連續(xù)時間電壓模式電路[5]。本文設(shè)計了一款連續(xù)時間電壓模式的高精度低噪聲MEMS陀螺儀電容讀出電路,電路采用標(biāo)準(zhǔn)的0.5 μm CMOS工藝,通過對各種噪聲進行量化分析,找出影響電路噪聲性能的主要因素,并采用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)對電路性能進行優(yōu)化設(shè)計,從而實現(xiàn)對陀螺儀微弱信號的檢測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的是單支點準(zhǔn)懸浮解耦式角振動環(huán)式結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖1為陀螺結(jié)構(gòu)模型圖,該結(jié)構(gòu)由一個驅(qū)動外環(huán)和一個檢測內(nèi)盤組成,驅(qū)動外環(huán)通過4個懸臂梁與檢測內(nèi)盤連接,而內(nèi)盤也通過4個懸臂梁與中心錨點連接,整個結(jié)構(gòu)通過中心錨點懸在基片之上。由于外環(huán)與內(nèi)盤被兩組懸臂梁隔開,因而激勵與檢測模態(tài)的自然頻率相互隔離,從而最大限度地減小了正交誤差,圖中M0、M90、M180、M270為四相位驅(qū)動電極,MA、MB為驅(qū)動檢測電極,NA、NB為正交誤差消除電極,該陀螺諧振頻率為5.8 kHz,帶寬為100 Hz。工作時,由四相位驅(qū)動信號對陀螺外環(huán)進行驅(qū)動,使外環(huán)在梳齒狀電極的驅(qū)動下繞Z軸旋轉(zhuǎn)振動,當(dāng)有一個繞X軸方向的角加速度時,陀螺將受到一個沿Y方向的科氏力作用,內(nèi)盤將沿Y方向左右擺動,而擺動幅度將與科氏力大小成正比。

圖1 單支點角振動式陀螺儀結(jié)構(gòu)模型圖

圖2為陀螺內(nèi)盤檢測通道的原理框圖,左半部分為陀螺的敏感結(jié)構(gòu),右半部分為電容讀出電路的前端放大部分,當(dāng)陀螺儀角速度發(fā)生變化時,由于科氏力的作用,在與角速度垂直的方向上產(chǎn)生等比例的位移,該位移的變化將引起圖中檢測電容CS1、CS2的變化并產(chǎn)生與之成比例的電流。

圖2 陀螺檢測通道原理框圖

因此,在檢測電路第1級電荷放大器輸出電壓VA為:

(1)

2 電路噪聲分析

由于陀螺傳感器輸出信號十分微弱,對讀出電路的噪聲、靈敏度和器件的匹配性都提出了很高的要求。其中影響電路精度的噪聲源主要有以下幾種:①輸入MOSFET的熱噪聲;②反饋電阻的熱噪聲;③輸入MOSFET的1/f噪聲;④參考電源Vref產(chǎn)生的參考噪聲;⑤反偏二極管漏電流產(chǎn)生的散粒噪聲;⑥電路其他部分產(chǎn)生的噪聲[5-6]。

其中電路其他部分產(chǎn)生的噪聲為電路內(nèi)部諸如高頻時鐘等通過電容或電感等耦合過來的噪聲,其大小可通過合理的版圖設(shè)計如適當(dāng)增加dummy管等方法避免。

圖3為采用連續(xù)時間電壓模式檢測電路結(jié)構(gòu)。其中CS1和CS2為陀螺檢測端電容,大小為CS,D1、D2為輸入端ESD內(nèi)的反偏二極管,D3、D4為運放輸入對管內(nèi)的寄生反偏二極管,Cp為電路輸入端總的寄生電容,其主要由MOSFET的柵電容Cgd和gs以及陀螺傳感器和檢測電路連線上的寄生電容組成,Ileak為運放第1級輸入端的漏電流,其主要由ESD內(nèi)的反偏二極管的漏電流之差以及運放輸入對管中的反偏寄生二極管的漏電流組成,Cfb為電荷放大器的積分電容,Rfb為電荷放大器的反饋電阻。

圖3 連續(xù)時間電壓模式檢測電路寄生影響

(2)

反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲在Vout處大小為[5]:

(3)

由于MOS管內(nèi)存在反偏的寄生二極管,其在大多數(shù)電路中漏電流小于1 pA,因此通常被忽略,但在本文中,由于陀螺傳感器的檢測電容很小大約為10-15F～10-18F[7],因此導(dǎo)致該漏電電流不能被忽略。在檢測端散粒噪聲電壓主要包括兩部分,運放寄生二極管的漏電以及輸入端口處對電源和地的ESD保護結(jié)構(gòu)中,二極管漏電特性不匹配或二極管大小不對稱產(chǎn)生的泄漏電流之差,其大小為:

(4)

由該表達式可知,散粒噪聲隨頻率衰減極快,在低頻時會成為噪聲的重要部分,但在高頻時,其大小將可忽略。因此,散粒噪聲決定了調(diào)制信號的頻率下限。

(5)

其中W和L是輸入MOSFET的溝道寬度和長度,gm是輸入管的跨導(dǎo),ID是其偏置電流,k是波爾茲曼常數(shù),T是絕對溫度,μ是載流子遷移率,COX是單位面積柵電容,K是閃爍噪聲系數(shù),q是電子電荷,f是電路工作頻率。

該噪聲在電荷放大器輸出端的大小為:

(6)

因此,電荷放大器輸出端總噪聲大小為:

(7)

從上式可以看出,電荷放大器輸出端噪聲受熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲等諸多因素影響,其在低頻和高頻時反映不同的特性。在低頻時電路受散粒噪聲和閃爍噪聲影響較大,然而該類噪聲受頻率影響極大,當(dāng)電路工作頻率升高時,噪聲迅速衰減,當(dāng)頻率大于轉(zhuǎn)角頻率fC時,電路中起主要作用的噪聲僅剩下白噪聲。此時噪聲大小可簡化為:

(8)

3 電路設(shè)計

圖4所示為本文設(shè)計的運算放大器的原理圖,運放采用PMOS管輸入的折疊共源共柵結(jié)構(gòu),輸出級采用了AB類輸出結(jié)構(gòu),可以很容易實現(xiàn)軌到軌輸出。補償電容通過共源共柵級連接到運放輸出端。但是該電路的一個顯著缺點是其電源抑制能力差,為改正這個缺點,我們在電路中加入跨導(dǎo)線性環(huán),這種結(jié)構(gòu)使得輸出電流只與器件寬長比有關(guān)而與電源電壓無關(guān),有效的提高了電路的電源抑制比。同時為了進一步提高該運放的電源抑制比,該運放采用單獨低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電,LDO采用圖5所示電路結(jié)構(gòu),通過該模塊的使用,有效地將易受干擾的讀出電路第1級與電路其他模塊隔離開來,進一步提高了電路精度。

圖4 低噪聲跨導(dǎo)放大器

圖5 線性LDO

對于該運放來說,當(dāng)增大尾電流ID時,電路輸出端噪聲降低,然而在很多場合里,電路對功耗的要求甚至高于對電路噪聲的要求,采用增大電路功耗的方法來換取低噪聲在很多情況下是不合適的。為了降低運放噪聲的影響提高電路精度,必須增大電路的寬長比,而寬長比的增大將會占用更大的芯片面積增加成本,同時,由于電路寬長比的增加,其輸入端寄生電容Cp也隨之增大,電路的線性度會隨之變差,因此,為了使電路性能達到最優(yōu),取MOS管的溝道長度L為工藝所能達到的最小工藝尺寸,W則根據(jù)實際情況適當(dāng)增大。表1為本文設(shè)計的低噪聲運算放大器的技術(shù)指標(biāo)。從中可以看到,該運放在5.8 kHz時具有7.82 nV/√Hz的等效輸入噪聲,電源抑制比在30 kHz時,仍能達到112 dB,雖然LDO的使用降低了該運放的動態(tài)輸出范圍,但該電路作為讀出電路的第1級,其輸出動態(tài)范圍在陀螺±300 °/s量程時,仍能保持很好的線性度,并不影響信號的輸出。同時,為了使該電路能夠滿足陀螺較高工作速率要求,因此設(shè)計該運放具有80 MHz的增益帶寬積。

表1 低噪聲運算放大器技術(shù)指標(biāo)

4 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

從式(8)我們可以看到,電路噪聲受頻率的影響是極大的,當(dāng)頻率升高時,電路輸出噪聲也會隨之減小,有鑒于此,本文采用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)對讀出電路進行優(yōu)化設(shè)計。

調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的基本理念就是通過載波信號對MEMS陀螺儀產(chǎn)生的電流信號進行調(diào)制,利用載波信號和陀螺角速度信號的工作頻率不同,對信號進行有選擇的放大,并合理利用濾波技術(shù)對信號進行處理,最后保留放大的角速度信號輸出,完成整個信號處理過程[8]～[12]。

圖6為本文設(shè)計的高精度低噪聲電容讀出電路的設(shè)計框圖。

圖6 高精度低噪聲電容讀出電路的設(shè)計框圖

Ω為外加角速率,其大小等于:

Ω=cos(ωΩt)

(9)

其中ωΩ為角速率的變化率。

對MEMS陀螺儀產(chǎn)生的小信號進行調(diào)制,載波信號大小為:

fn=cos(ωnt)

(10)

其中ωn為載波信號的頻率。則檢測端電荷放大器的輸出為:VA∝2·Ω×V×fn=2cos(ωΩt)·cos(ωdt)·cos(ωnt)

(11)

對該信號進行兩次解調(diào),第1次對載波信號cos(ωnt)解調(diào),第2次對驅(qū)動信號cos(ωdt)解調(diào),并采用濾波技術(shù)對高頻信號進行濾波,最終得到與低頻角速度信號成正比的輸出電壓VO。

VO∝cos(ωΩt)

(12)

采用調(diào)制/解調(diào)和濾波技術(shù),我們可以將需要檢測的低頻角速度信號調(diào)制到高頻,利用電路在高頻時噪聲遠(yuǎn)低于低頻時噪聲的特性將信號從噪聲中分離出來加以放大處理,有效提高讀出電路的精度。

5 封裝及測試結(jié)果分析

本文采用0.5 μm CMOS工藝,芯片面積為3.5 mm×3.4 mm,調(diào)制信號頻率為3 MHz。圖7為該讀出電路的芯片和版圖照片,將讀出電路與圖1的陀螺結(jié)構(gòu)組裝在一起,采用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù),實現(xiàn)其小型化。LTCC基板設(shè)計有半通空腔,敏感結(jié)構(gòu)芯片、讀出電路組裝在LTCC基板的空腔內(nèi),通過基板、線鍵合實現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)與讀出電路的互連,并在LTCC基板上設(shè)計可共晶焊接的金屬圍框,通過平行縫焊實現(xiàn)LTCC基板與金屬蓋板的氣密性封裝。MEMS陀螺儀組裝與封裝圖如圖8所示。

圖7 讀出電路芯片和版圖照片

圖8 MEMS陀螺儀組裝與封裝圖

將該陀螺系統(tǒng)放在轉(zhuǎn)臺上進行聯(lián)合測試,并利用頻率分析儀RSA 5103A對電路輸出信號進行測量,結(jié)果如圖9所示。該電路的輸出端噪底為-117.14 dB,等效輸入電容噪聲為0.116 aF/√Hz當(dāng)陀螺量程為±300 °/s,陀螺分辨率可以達到0.00035 °/s。

圖9 讀出電路第2級頻率響應(yīng)曲線

本讀出電路采用連續(xù)時間C/V轉(zhuǎn)換加調(diào)制/解調(diào)技術(shù),通過對前端運放的降噪設(shè)計,實現(xiàn)了整體電路的高精度低噪聲性能。與文獻中所列讀出電路對比如表2所示,從表2可以看到,與國內(nèi)外采用相同工藝、實現(xiàn)相同電路功能的讀出電路相比,該電路在噪聲性能上得到了很大的提高。

表2 本文中讀出電路與文獻中讀出電路對比

6 總結(jié)

本文對影響讀出電路精度的噪聲進行了量化分析,設(shè)計了一款高電源抑制比、低噪聲的運算放大器并采用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)對電路性能進行優(yōu)化,測試結(jié)果表明,該電容讀出電路的輸出級噪底為-117.14 dB,當(dāng)陀螺儀量程為±300 °/s時,分辨率可以達到0.00035 °/s。

[1] Sheng-Ren Chiu,Chung-Yang Sue,Lu-Pu Liao,et al. A Fully Integrated Circuit for MEMS Vibrating Gyroscope Using Standard 0.25 μm CMOS Process[C]//Impact international Microsystems,Packaging,Assembly and Circuits Technology conference,2011:315-318.

[2]Jindeok Seo,Kyomook Lim,MEMS vibratory gyroscope with highly programmable capacitive interface circuit[C]//12th International Conference on Control,Automation and Systems,2012:1120-1130.

[3]李芊,徐劍蕓,魯浩,等. 一種通用的電容式微機械陀螺接口電路研究[J]. 航空兵器,2011(6):49-53.

[4]遲曉珠,崔健,閆桂珍. MEMS陀螺振動特性試驗技術(shù)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2008,21(4):559-562.

[5]梁亮. CMOS MEMS加速度計研究及低噪聲檢測電路集成設(shè)計[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2010.

[6]拉扎維,模擬CMOS集成電路設(shè)計[M]. 西安交通大學(xué)出版社,2003.

[7]李錦明,高信噪比電容式微機械陀螺的研究[D]. 中北大學(xué),2005.

[8]Tao Yin,Huanming Wu,Qisong Wu. A TIA-based Readout Circuit with Temperature Compensation for MEMS Capacitive Gyroscope[C]//Proceedings of the 2011 6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems,2011:401-405.

[9]劉曉為,任軼超,譚曉昀. 適用于微機械陀螺接口電路的新型開關(guān)解調(diào)方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(8):1805-1808.

[10]蔣慶華,苑偉政,常洪龍. 電容式微機械陀螺接口電路[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(5):2223-2225.

[11]尹韜,楊海鋼,張翀. 一種用于電容型體硅微陀螺的低噪聲讀出電路芯片[J]. 電子與信息學(xué)報,2010,32(1):203-209.

[12]莫冰,譚曉昀,劉曉為. 電容檢測型微機械陀螺的信號檢測電路[J]. 儀器儀表學(xué)報,2005,26(8):324-326.

[13]吳其松,楊海鋼,張翀. 一種適用于MEMS陀螺儀的高性能電容讀出電路[J]. 儀器儀表學(xué)報,2010,31(4):937-942.

[14]Lasse Aaltonen,Antti Kalanti,Mika Pulkkinen. A 2. 2 mA 4. 3 mm2ASIC for a 1000 °/s 2-Axis Capacitive MICRO-Gyroscope[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,2011,46(7):1682-1692.

[15]Yazdi N,Mason A,and Najafi K,et al. A Generic Interface Chip for Capacitive Sensors in Low-Power Multi-Parameter Microsystems[J]. Sensors and Actuarors,2000,A(84):351-361.

唐興剛(1981-),男,漢族,碩士,現(xiàn)為華東光電集成器件研究所工程師,主要研究方向為模擬集成電路設(shè)計,645133008@qq.com;

龍善麗(1981-),女,漢族,博士,現(xiàn)為華東光電集成器件研究所高級工程師,主要研究方向為混合集成電路設(shè)計,lslysy@163.com。

AHighPrecisionLowNoiseCapacitanceSensingCircuitUsedinMemsGyroscope*

TANGXinggang*,LONGShanli,LIUYan

(North General Electronics Group Co.,Ltd,suzhou Jiangsu 215163,China)

Based on the analysis of capacitive vibratory microgyroscope’s interface circuit a low noise capacitive readout circuit is presented. All kinds of non-ideal factors are discussed. A high power supply rejection ratio of a low-noise amplifier based on continuous time capacitance-to-voltage technique is presented in this paper. Using high frequency modulation principle,the circuit can improve the resolution and dynamic range by canceling 1/fnoise. This ASIC is designed and manufactured based on 0.5 μm analog CMOS process. The chip size is 3.5 mm×3.4 mm. Measurement shows that the capacitive readout circuit noise floor is -117.14 dB,When the gyro range is ±300 °/s,resolution can be achieved 0.00035 °/s.

MEMS gyroscope;low-noise;demodulation;charge amplifier;readout circuit

項目來源:(2014ZX01021101-002)

2014-06-14修改日期:2014-07-08

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.008

TN432

:A

:1004-1699(2014)09-1191-05