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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 哈尔滨工业大学 主编 李隆球 国际刊号ISSN 0367-6234 国内刊号CN 23-1235/T

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引用本文:赵毅强,寇诗逸,叶茂.MEMS陀螺仪高精度低噪声检测电路设计[J].哈尔滨工业大学学报,2024,56(12):96.DOI:10.11918/202312059
ZHAO Yiqiang,KOU Shiyi,YE Mao.Design of high-precision and low-noise detection circuit for MEMS gyroscope[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2024,56(12):96.DOI:10.11918/202312059
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MEMS陀螺仪高精度低噪声检测电路设计
赵毅强1,2,寇诗逸1,2,叶茂1,2
(1.天津大学 微电子学院,天津 300072; 2.天津市成像与感知微电子技术重点实验室(天津大学),天津 300072)
摘要:
为满足电容式MEMS陀螺仪低噪声,高精度的检测需求,设计了一款基于开关电容结构的全差分检测电路,主要包括电容检测和数字量化处理两部分。电容检测电路采用离散时间电容电压(C/V)转换方案,提出将高频载波调制和相关双采样技术相结合的方式,有效降低了低频噪声的干扰。量化电路采用一款4阶4 bit单环前馈结构的带通ΔΣ调制器,输入信号前馈通路的引入提高了系统的稳定性,内部多位量化器有效提高了信噪比。系统在保持低功耗的同时实现了高精度输出。基于0.18 μmBCD工艺,在5 V电源电压下,对整体电路进行仿真验证。 仿真结果表明, 检测电路灵敏度可以实现10 mV/fF,在谐振频率5 kHz处,等效输入电容噪声为0.062 aF/Hz。最终在100 Hz带宽范围内,读出信号量化精度可以达到15 bits。与传统的MEMS陀螺仪检测电路相比,该电路具有更低的噪声和更高的量化精度,能够满足高精度检测应用需求。
关键词:  电容检测电路  MEMS陀螺仪  ΔΣ调制器  相关双采样  低噪声  高精度
DOI:10.11918/202312059
分类号:TN432
文献标识码:A
基金项目:
Design of high-precision and low-noise detection circuit for MEMS gyroscope
ZHAO Yiqiang1,2,KOU Shiyi1,2,YE Mao1,2
(1.School of Microelectronics, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology (Tianjin University), Tianjin 300072, China)
Abstract:
To fulfill the demands of achieving low-noise and high-precision detection of capacitive MEMS gyroscopes, this paper presents a fully differential sensing circuit based on a switched capacitor structure. The design consists of two parts: capacitance detection and digital quantization processing. The discrete-time capacitor to voltage (C/V) conversion scheme is used for capacitance detection. The method of combining high frequency carrier modulation and correlated double sampling technique is proposed to reduce the low frequency noise. The quantization circuit adopts a bandpass ΔΣ modulator with a 4th-order, 4-bit single-loop feedforward structure. The input signal feedforward pathway is introduced to improve the stability of the system. The internal multi-bit quantizer is used to improve the signal-to-noise ratio. The system achieves high precision with low power consumption. Based on the 0.18 μm BCD process, the overall circuit is simulated and verified under a 5 V power supply. The simulation results demonstrate that the sensitivity of the detection circuit can reach 10 mV/fF, and the equivalent input capacitive noise is 0.062 aF/Hz at 5 kHz. The quantization accuracy of the readout signal can be up to 15 bits in the bandwidth range of 100 Hz. Compared with the traditional MEMS gyroscope sensing circuit, this circuit has lower noise and higher quantization accuracy. It is suitable for high-precision detection.
Key words:  capacitive detection circuit  MEMS gyroscope  delta-sigma modulator  correlated double sampling  low noise  high-precision

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