2017, Vol. 49
2. 微系统与微结构教育部重点实验室 (哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150001
2. Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing of Ministry of Education (Harbin Institute of Technology), Harbin 150001, China
硅陀螺角速度传感器作为一种MEMS(微机电系统)传感器在最近的几年受到越来越多的关注.它不仅能够应用于惯性导航和航空航天，还能够应用于消费产品中，例如数码摄像机和手机等.为了满足惯性导航的高精度的要求，对硅陀螺传感器接口电路的性能提出了更高的要求[1-2].过去对接口电路的研究主要侧重于模拟前置电路，国内很少有单位开展数字输出陀螺工作，而且大部分是在PCB基础上通过分立器件实现，这不仅需要更大的体积，而且很难降低成本.本文提出了一种高集成度、高精度的数字化接口电路，这种接口电路可方便的应用于角度信号的处理[3].
1 MEMS硅陀螺原理图 1为微机械陀螺仪的机械结构，它包含了驱动端和敏感端[4].陀螺具体的微机械工作原理详见文献[4].
|
图 1 微机械陀螺仪结构 Figure 1 Structure of micro mechanical gyroscope |
当x方向的驱动力为Fd=F0cos(ωdt)时，驱动方向上的速度vx(t)的稳态解为
| $ {v_x}\left( t \right) = {V_0}\cos \left( {{\omega _d}t} \right), $ |
式中V0为谐振速度幅值.
当z方向有Ω大小的角速度输入时，在陀螺敏感的y方向将产生大小为kΩV0cos(ωdt)的哥氏力, k为与结构参数相关的常数，哥氏力引起在检测y方向形成受迫振动，位移y的稳态解为
| $ y\left( t \right) = {k_{\rm{s}}}\mathit{\Omega} \cos \left( {{\omega _d}t} \right), $ |
式中ks为与结构参数相关的常数.敏感端的谐振位移改变质量与检测电极之间的电容值，当质量块上加载固定电压时，电容上的电荷就会发生如上式所示的周期性变化，利用电学方法检测出该电荷变化量，就能够得到输入角速度[5].
2 MEMS硅陀螺接口电路设计图 2为MEMS陀螺接口电路，主要由两部分组成：前级模拟电路和高精度Sigma Delta ADC.其中前级模拟电路实现陀螺的闭环自激驱动、低噪声差分检测以及用于降低低频噪声的高频调制模块，从而得到角速度输出的模拟量.ADC实现将模拟输出转化为数字输出[6-7].之所以采用双片集成是因为对于集成电路而言，数模电路共用衬底，数字电路的时钟对用于微弱信号检测的模拟电路噪声影响较大，难以克服，而双片对于面积的开销增加不是十分显著，可以接受.以上也是目前多数数字陀螺研究采用双片集成的原因.
|
图 2 数字陀螺仪整体电路 Figure 2 Digital gyroscope integrated circuit |
模拟前级包括闭环自激驱动电路和低噪声检测电路.在驱动电路中，上电加载饱和直流驱动电压，由于噪声扰动，质量块开始振荡，电荷放大器将质量块位移信号转化为电压信号，相位转换电路对该信号精确移相90°以抵消驱动力和位移之间的相位差，从而满足谐振条件.相位调整后，由峰值检测电路计算前级电压信号幅值，通过PID控制与参考电压比较后积分，得到动态变化的直流积分电压，将该直流电压叠加峰值检测前的交流信号作为驱动信号，完成正反馈自激振荡[8].这样，既能保证交流驱动信号幅值稳定又能动态调整直流驱动，保证驱动位移恒定.敏感检测电路主要考虑低噪声性能，采用差分低噪声电荷放大器保证噪声性能，后级采用相敏解调和低通滤波得到角速度信号.
在本电路设计中，采用在质量块上加载高频调制的方法实现低噪声设计.图 2中高频正弦信号由有源稳幅RC振荡器产生.图 3解释了该原理降噪过程，电荷放大器在低频处的1/f噪声功率高于信号功率，白噪声功率则低于信号功率.陀螺谐振信号被调制到高频处，与噪声是叠加关系.解调时，调制后的信号被解调至陀螺谐振频率，而放大器的1/f噪声被调制至高频处.然后通过低通滤波器消除高频处的1/f噪声，剩下了低功率的白噪声和真正的信号在低频处，从而实现降低噪声的目的[9].
|
图 3 高频调制信号的功能 Figure 3 Function of high frequency modulation signal |
为了将模拟输出转换为数字输出，需要一个高精度的ADC.在所有的ADC中，sigma delta ADC通过低带宽的过采样和噪声整形技术可以达到高精度要求，这种ADC由sigma delta调制器和数字抽取滤波器组成.本设计采用了四阶单环一位的sigma delta调制器，因为该结构的调制器比级联结构能够承受更大的工艺误差，而且一位量化使得电路的复杂度低于多位量化的复杂度.第1级积分器的输入信号只有量化噪声，而且输入幅度比其他类型的要小许多，积分器的输出摆幅相对较小有利于低失调[10].
图 4显示了在0.5 um的CSMC工艺下的调制器电路.全差分电路的精度比单端电路要高3 dB，而且能够消除谐波失真并且具有低失调特点.硅陀螺的模拟信号对带宽的要求较低，一般输出带宽在100 Hz以内，在sigma delta调制器的噪声源中，1/f噪声是重要的组成部分，它能显著的降低转换精度.因此，在第1级积分器中采用斩波技术来降低1/f噪声[11].
|
图 4 sigma delta调制器 Figure 4 Sigma delta modulator |
sigma delta调制器输出的一位比特流信号，很难被信号处理系统直接处理，而且，高输出频率会使得数字电路的功耗增加.所以，数字抽取滤波器被用来滤除信号带宽外的噪声并使得采样频率降低.在本文中，数字抽取滤波器通过单片机实现，然后sigma delta ADC以Nyquist ADC形式工作，并且具有18位的精度.
2.3 晶体管级设计除了电路拓扑结构以外，电路模块自身的设计对陀螺的噪声、稳定性、线性度以及温度特性也起到至关重要的影响，其中最重要的就是运算放大器的设计.由于采用高频调制原理降低噪声，对放大器的带宽有较高要求，需要设计一款大带宽、低噪声、低失真的运算放大器.本文采用二级运放，前级采用套筒式运放满足高带宽、低噪声，输出级共源级运放实现大摆幅输出.运放结构如图 5所示，采用米勒补偿提高运放速度.该运放增益带宽积正比于跨导，通过设计恒定跨导偏置电路就可以增加跨导，进而增大带宽并实现带宽恒定.该运放的噪声取决于输入管和负载管的热噪声和1/f噪声，而高跨导共源共栅结构的负载管噪声远小于输入管噪声，运放噪声为
|
图 5 低噪声恒定跨导运算放大器 Figure 5 Low noise constant transconductance operational amplifier |
| $ \bar V_N^2 = \frac{{16kT}}{{3{g_{m1, 2}}}} + \frac{{2{K_P}}}{{{{\left( {WL} \right)}_{1, 2}}{C_{{\rm{ox}}}}f}}. $ |
式中：右侧第1项为输入管热噪声，第2项为1/f噪声；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；gm为输入管跨导；KP为1/f噪声系数；W、L分别为输入管的宽和长；Cox为氧化层电容；f为频率.可以看出，热噪声水平随着跨导的增加而降低，1/f噪声随着输入管面积的增加而降低，据此可以优化运放噪声[12].
相敏解调是另一个重要电路模块，本设计采用开关相敏解调，用比较器控制CMOS传输门开关实现，其优点是电路结构简单、开关导通电阻低、转换速率快，易于实现高速低失真要求.
3 测试结果如图 6所示为MEMS陀螺测试系统，陀螺结构采用真空封装，接口电路采用模拟前级和高精度调制器双片集成方式，数字滤波器由单片机实现.样机整机尺寸为2.5 mm×3.0 mm×2.5 mm，实现了小型化目的.
|
图 6 陀螺整机测试系统 Figure 6 Gyroscope test system |
首先对sigma delta调制器进行测试.当输入的信号的直流电压为50 mV时，数字输出信号的功率谱密度如图 7所示，噪底接近-140 dB.
|
图 7 sigma delta调制器的输出功率谱密度 Figure 7 Output power spectrum density of the sigma delta modulator |
当采样频率为2.5 MHz时，该调制器能够得到10 kHz的带宽和130 dB的1 Hz动态范围，满足接口电路的性能需要.
整机测试中，首先测试刻度因数及线性度，将陀螺固定在转台上，施加从±0.1 °/s到±200 °/s不同的输入角速度，sigma delta ADC的输出信号为18位.图 8为数字硅陀螺系统的输入和输出线性拟合曲线，在测量范围为±200 °/s以内，可以计算出刻度因数为46.45 LSB/((°)·s-1)，线性度为342 ×10-6.
|
图 8 数字陀螺输入输出线性拟合曲线 Figure 8 Linear fitting curve of digital gyroscope input and output |
对硅陀螺进行1 h短期稳定性测试，图 9为通过Allan方差方法得出的零偏稳定性分析图.实验结果表明，短期稳定性能够达到3.4 °/h，该接口电路在60 Hz的带宽内，噪声功率谱密度为0.004 ((°)·s-1)/Hz1/2.
|
图 9 陀螺输出的Allan方差结果 Figure 9 Allan variance results of gyroscope output |
表 1将本文中设计的高精度数字化陀螺接口电路与近几年有代表性的研究机构和企业所研究的陀螺性能做了对比.与其他高性能模拟、数字接口电路相比，本设计能够精确的输出数字信号，线性度和稳定性达到高性能应用水平.
|
表 1 典型陀螺的性能对比 Table 1 Performance comparison of typical gyroscope |
1) 基于高频载波原理实现的闭环驱动、低噪声检测模拟电路可有效降低低频噪声，传感器输出噪声功率谱密度为0.004((°)·s-1)/√Hz.
2) 基于Σ-Δ调制器的高精度ADC，可以达到10 kHz的带宽和130 dB的动态范围，满足实用化需求.
3) 采用标准0.5 um的N阱CMOS工艺实现了电路集成化，实现了对分立器件电路的高精度数字化、小型化设计目标.
| [1] |
AALTONEN L, HALONEN K A I. Pseudo-continuous-time readout circuit for a 300° /s capacitive 2-axis micro-gyroscope[J].
IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2009, 44(12): 3609-3620.
DOI: 10.1109/JSSC.2009.2035554 |
| [2] |
AALTONEN L, KALANTI A, PULKKINEN M, et al. A 2.2mA 4.3mm2 ASIC for a 1000°/s 2-axis capacitive micro-gyroscope[J].
IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2011, 46(7): 1682-1692.
DOI: 10.1109/JSSC.2011.2144170 |
| [3] |
AALTONENL, KALANTI A, PULKKINEN M, et al. A 4.3 mm2 ASIC for a 300°/s 2-axis capacitive micro-gyroscope//Proceedings of the 2010 Eur. Solid-State Circuits Conf. (ESSCIRC). Seville, Spain: IEEE, 2010: 286-289. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2010.5619834.
|
| [4] |
SHARMA A, ZAMAN M F, AYAZI F. A 104-dB dynamic range transimpedance-based CMOS ASIC for tuning fork microgyroscopes[J].
IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007, 42(8): 1790-1802.
DOI: 10.1109/JSSC.2007.900282 |
| [5] |
WANG Xiaolei, ZHANG Yinqiang, YANG Cheng, et al. Analysis and experiment of drive mode of silicon micro-gyroscope based on digital phased-locked loop control[J].
Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2013, 43(4): 747-752.
DOI: 10.3969/j.issn.1001-0505.2013.04.014 |
| [6] |
XIA Dunzhu, HU Yiwei, KONG Lun, et al. Design of a digitalized microgyroscope system using, modulation technology[J].
Journal IEEE Sensors, 2015, 15(7): 3793-3806.
DOI: 10.1109/JSEN.2015.2399435 |
| [7] |
JIANG Xuesong, SEEGER J I, KRAFT M, et al. A monolithic surface micromachined Z-axis gyroscope with digital output[C]// 2000 Symposium on VLSI Circuits. Honolulu, HI: IEEE, 2000: 16-19. DOI: 10.1109/VLSIC.2000.852839.
|
| [8] |
ENZ CC, TEMES G C. Circuit techniques for reducing the effects of op-amp imperfections: autozeroing, correlated double sampling, and chopper stabilization[J].
Proceedings of the IEEE, 1996, 84(11): 1584-1614.
DOI: 10.1109/5.542410 |
| [9] |
RAMAN J, CRETU E, ROMBOUTS P, et al. A digitally controlled MEMS gyroscope with unconstrained Sigma-Delta force-feedback architecture[C]//Proceedings of the 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2006. MEMS 2006 Istanbul. Istanbul, Turkey: IEEE, 2006: 710-713. DOI: 10.1109/MEMSYS.2006.1627898.
|
| [10] |
ZHANG Chong, YIN Tao, WU Qisong, et al. A large dynamic range CMOS readout circuit for MEMS vibratory gyroscope[C]//Proceedings of the 2008 IEEE SENSORS. Lecce, Italy: IEEE, 2008:1123-1126. DOI: 10.1109/ICSENS.2008.4716638.
|
| [11] |
PETKOV V, BOSER P B. A fourth-order interface for micromachined inertial sensors[J].
IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2005, 40(8): 1602-1609.
DOI: 10.1109/JSSC.2005.852025 |
| [12] |
YUCETAS M, AALTONEN, HALONEN K.CMOS temperature sensor using periodic averaging for error reduction[C]//Proceedings of the 2008 NORCHIP. Tallin, Estonia: IEEE, 2008: 94-97. DOI: 10.1109/NORCHP.2008.4738290.
|
| [13] |
EZEKWE C D, BOSER B E. A mode-matching ΔΣ closed-loop vibratory gyroscope readout interface with a 0.004°/s/Hz, noise floor over a 50Hz Band[C]//2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference. San Francisco, CA: IEEE, 2008. DOI: 10.1109/ISSCC.2008.4523316.
|
| [14] |
RAMAN J, CRETU E, ROMBOUTS P, et al. A closed-loop digitally controlled mems gyroscope with unconstrained sigma-delta force-feedback[J].
IEEE Sensors Journal, 2009, 9(3): 297-305.
DOI: 10.1109/JSEN.2008.2012237 |
| [15] |
XIA Dunzhu, YU Cheng, WANG Yuliang. A digitalized silicon microgyroscope based on embedded FPGA[J].
Sensors, 2012, 12(10): 13150-13166.
DOI: 10.3390/s121013150 |