《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計 > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種多位量化高精度加速度計系統(tǒng)設(shè)計
一種多位量化高精度加速度計系統(tǒng)設(shè)計
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
王保勝,,趙剛彬
南陽理工學(xué)院 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,,河南 南陽473000
摘要: 為了在保證系統(tǒng)噪聲整形能力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度微機(jī)械加速度計系統(tǒng),提出了一種多位量化的高精度加速度計系統(tǒng),。通過應(yīng)用靜電力反饋線性化電路,實現(xiàn)了一種四階多位量化微機(jī)械加速度計結(jié)構(gòu),。該加速度計系統(tǒng)噪聲水平均值低于-120 dB/√Hz,,靈敏度0.63 V/g,等效輸入加速度噪聲約為4 μg/√Hz,。加速度計系統(tǒng)量程受限于電源電壓和系統(tǒng)靈敏度,約為±3 g,。
中圖分類號: TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173191
中文引用格式: 王保勝,趙剛彬. 一種多位量化高精度加速度計系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(4):37-39.
英文引用格式: Wang Baosheng,Zhao Gangbin. Design of a multi-bit quantization high-precision microaccelerometer system[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(4):37-39.
Design of a multi-bit quantization high-precision microaccelerometer system
Wang Baosheng,Zhao Gangbin
School of Computer and Information Engineering,,Nanyang Institute of Technology,,Nanyang 473000,,China
Abstract: In order to achieve a stable and high-precision micromechanical accelerometer system based on the system noise-shaping ability, a high precision accelerometer system with multi-bit quantization is proposed. A fourth-order multi-bit quantized micromechanical accelerometer topology is realized by applying an electrostatic feedback linearization circuit. The average noise level of the accelerometer system is lower than -120 dB/√Hz. The sensitivity and the equivalent input acceleration noise are about 0.63 V/g and 4 μg/√Hz, respectively. The input range of the accelerometer system is about ±3 g, which is limited by the supply voltage and system sensitivity.
Key words : noise shaping;high precision,;accelerometer,;linearization

0 引言

    高性能電容式微機(jī)械加速度計在慣性導(dǎo)航、GPS定位,、石油勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3],。在高精度sigma-delta(ΣΔ)加速度計系統(tǒng)中,機(jī)械表頭的精度已經(jīng)可以做到2 μg以下,,往往系統(tǒng)的性能受后級接口電路的制約[4-6],。為了提高后級接口電路的精度,往往通過提高系統(tǒng)的階數(shù)來抑制量化噪聲,,例如文獻(xiàn)[7]報道了一種五階ΣΔ加速度計系統(tǒng),,通過在二階的敏感結(jié)構(gòu)后級聯(lián)一個三階調(diào)制器來實現(xiàn)量化噪聲的高階整形。文獻(xiàn)[8]也介紹了一種高階閉環(huán)系統(tǒng),,通過引入多級積分器提高整體的噪聲整形能力,。然而高階系統(tǒng)會帶來穩(wěn)定性問題,給系統(tǒng)設(shè)計帶來不小的難度,。為了在保證噪聲整形能力的基礎(chǔ)上解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,,可以借鑒高精度調(diào)制器的設(shè)計方法,通過多位量化的方法來減小后級積分器的個數(shù),,這樣既能保證系統(tǒng)的噪聲整形能力,,又能降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性風(fēng)險。

    多位量化技術(shù)雖然能夠提高整形能力,,改善后級接口電路的線性度,,但同時對敏感結(jié)構(gòu)的靜電力反饋線性度提出了高要求。因此需要對系統(tǒng)的靜電力反饋進(jìn)行線性化處理,,來保證多位量化技術(shù)能夠成功地應(yīng)用于非線性的微機(jī)械加速度計系統(tǒng)中,。本文應(yīng)用了一種靜電力反饋線性化電路,提出了一種四階多位量化微機(jī)械加速度計系統(tǒng),,降低了系統(tǒng)設(shè)計時對穩(wěn)定性的要求,,也提高了系統(tǒng)的線性度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    圖1為本文提出的一種多位量化微機(jī)械加速度計系統(tǒng),,其中Kx/V為微機(jī)械加速度計敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊位移到電壓的增益,,KV/a是靜電力反饋因子,表示反饋電壓到等效反饋加速度的增益因子,,a1,、a2和a3是前饋因子,fb是局部反饋因子,k1和k2是積分器增益縮放比例因子,。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,,引入后置相位補償器HC(z)來提供相位補償。經(jīng)過Simulink仿真確定系統(tǒng)系數(shù)a1,,a2,,a3分別是0.7,0.2,,0.1,,k1為1/5,k2為1/4,,fb是0.2,,后置相位補償器補償因子為0.8。

wdz4-t1.gif

    圖1中Kx/V和KV/a可以分別表示為:

    wdz4-gs1.gif

    wdz4-gs2.gif

    上式中Cf為前級電荷放大器的積分電容,,d0為敏感結(jié)構(gòu)檢測梳齒間距,,C0為敏感結(jié)構(gòu)靜態(tài)電容,Vr為參考電壓(一般為電源電壓的一半),,m為質(zhì)量塊質(zhì)量,,Vfb為反饋電壓。

2 電路實現(xiàn)

    圖2是差分電荷放大器的前級電路,,包含敏感放大部分和采樣保持電路,,參考電容CR和敏感元件等效電容CS組成一個全橋平衡結(jié)構(gòu),等效電容值20 pF,。敏感放大部分的積分電容為10 pF,,更小的積分電容能夠增大環(huán)路增益,減小等效輸入噪聲,,但是會降低環(huán)路的穩(wěn)定性,。由于加速度導(dǎo)致質(zhì)量塊的位移引起電荷的變化,通過敏感放大器部分進(jìn)行放大,,同時相關(guān)雙采樣電路能夠消除低頻的噪聲和運放失調(diào)[9],。敏感放大部分的運放是一個全差分單級折疊共源共柵結(jié)構(gòu),電路簡單,,易于實現(xiàn)。運放直流增益75 dB,,帶寬15 MHz,。共模反饋采用開關(guān)電容結(jié)構(gòu),減小系統(tǒng)的功耗,。后級積分器也采用類似的運放結(jié)構(gòu),,但由于負(fù)載電容變小,所以可以降低運放的功耗。

wdz4-t2.gif

    后級多位量化和反饋電路如圖3所示,。其中圖3(a)中第一級積分器采樣電容為1 pF,,積分電容為5 pF,第二級積分器采樣電容縮放為0.5 pF,,積分電容為2 pF,,這樣能夠減小運放的負(fù)載,在同樣帶寬的情況下能有效地減小運放的功耗,。相位補償器采用文獻(xiàn)[10]中的無源濾波器結(jié)構(gòu),,對寄生不敏感,功耗也比較低,。第一級積分器的反饋通路開關(guān)kN,、KP由數(shù)據(jù)加權(quán)平均DWA(Data Weighted Averaging)模塊的輸出控制。本文的DWA技術(shù)是利用循環(huán)選擇靜電力反饋單元的原理來實現(xiàn)每個反饋電容被選擇到的平均次數(shù)相同,,進(jìn)而對反饋轉(zhuǎn)換過程中的非線性誤差被一階整形[11],。DWA技術(shù)能夠有效降低工藝誤差帶來的電容失配所引起的非線性問題,提高系統(tǒng)的性能,。多位量化能夠降低量化噪聲,,所以無需采用更高階的噪聲整形結(jié)構(gòu),減小穩(wěn)定性問題,。但是微機(jī)械加速度計是非線性系統(tǒng),,因為靜電反饋力是關(guān)于微機(jī)械結(jié)構(gòu)中極板間距的非線性函數(shù)。因此為了能夠有效地在微機(jī)械加速度計系統(tǒng)中利用多位量化技術(shù),,應(yīng)用靜電力反饋線性化技術(shù),,采用了圖3(b)和圖3(c)的電路結(jié)構(gòu),這在一定程度上也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗,。圖3(b),、圖3(c)中wdz4-t3-s1.gif經(jīng)過處理后的等效靜電反饋力就成為跟質(zhì)量塊位移無關(guān)的線性函數(shù):wdz4-t3-s2.gif

wdz4-t3.gif

3 實驗結(jié)果

    該加速度計接口電路原型芯片采用0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行流片驗證,如圖4所示,。芯片尺寸約為3.5 mm×4 mm,,采用5 V電壓供電,利用硅鋁絲連接機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)和芯片,,避免了金屬連接線導(dǎo)致的較大寄生電容帶來的影響,。為了實現(xiàn)較大的信號帶寬,系統(tǒng)采樣頻率設(shè)計為300 kHz,,芯片整體功耗25 mW,,主要功耗集中于前級電荷放大器、積分器電路以及多位量化電路,。

wdz4-t4.gif

    為了測試系統(tǒng)的動態(tài)性能,,采用自檢測的原理,,在反饋端輸入148.8 Hz低失真正弦信號來模擬外界加速度信號。利用邏輯分析儀采集系統(tǒng)的位流輸出信號,,在MATLAB中進(jìn)行262 144個點的FFT結(jié)果如圖5所示,。從頻譜圖中可以看出系統(tǒng)噪底水平均值低于-120 dB/√Hz,根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度0.63 V/g,,計算出等效輸入加速度噪聲約為4 μg/√Hz,。受限于電源電壓和系統(tǒng)靈敏度,該系統(tǒng)的量程約為±3 g,。從圖5中的頻譜可以看出,,系統(tǒng)量化輸出的二次諧波較大,達(dá)到了-97.46 dB,,而三次諧波較小,,幾乎淹沒在噪底之中。由此可以看出,,采用多位量化和靜電反饋力線性化技術(shù)后系統(tǒng)的非線性大大降低,,提升了整體的性能。輸出結(jié)果中較大的二次諧波可能是由于版圖的對稱性不好以及傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)中全橋平衡電路存在失配導(dǎo)致的,。

wdz4-t5.gif

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一款四階多位量化微機(jī)械加速度計接口電路,,整體電路經(jīng)過了流片實驗驗證。整體功耗25 mW,,等效輸入加速度噪聲約為4 μg/√Hz,,量程約為±3 g。采用多位量化和靜電反饋力線性化技術(shù)降低了系統(tǒng)的非線性,,提升了微機(jī)械加速度計的整體性能,。從測試結(jié)果來看,可以通過改善版圖的對稱性和全橋平衡電路的匹配性來進(jìn)一步提高性能,。

參考文獻(xiàn)

[1] YUCETAS M,,SALOMAA J,KALANTI A,,et al.A closed-loop SC interface for a 1.4 μg accelerometer with 0.33% nonlinearity and 2 μg input noise density[C].IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers(ISSCC),,San Francisco,USA,,2010:320-321.

[2] AMINI B V,,ABDOLVAND R,AYAZI F.A 4.5-mW closed-loop micro-gravity CMOS SOI accelerometer[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,,2006,,41(12):2983-2991.

[3] LAJEVARDI P,PETKOV V P,,MURMANN B.A interface for MEMS accelerometers using electrostatic spring constant modulation for cancellation of bondwire capacitance drift[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2013,48(1):265-275.

[4] YE Z,,YANG H,,YIN T,et al.High-performance closed-loop interface circuit for high-Q capacitive microaccele-rometers[J].IEEE Sensors Journal,,2013,,13(5):1425-1433.

[5] AALTONEN L,HALONEN K.Continuous-time interface for a micromachined capacitive accelerometer with NEA of 4 μg and bandwidth of 300 Hz[J].Sensors Actuators A:Phys.,,2009,,154(1):46-56.

[6] BADER A,MICHAEL K.Multi stage noise shaping sigma-delta modulator(MASH) for capacitive MEMS accelerometers[J].Sensors and Actuators A:Physical,,2012,,186:169-177.

[7] XU H L,LIU X W,,YIN L.A closed-loop ΣΔ interface for a high-Q micromechanical capacitive accelerometer with 200 ng/√Hz input noise density[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,,2015,50(9):2101-2112.

[8] ZWAHLEN P,,DONG Y,,NGUYEN A M,et al.Breakthrough in high performance inertial navigation grade sigma-delta MEMS accelerometer[C].IEEE Position Location and Navigation Symposium(PLANS),,Myrtle Beach,,SC,USA,,2012:15-19.

[9] TAN S S,,LIU C Y,YEH L K.An integrated low-noise sensing circuit with efficient bias stabilization for CMOS MEMS capacitive accelerometers[J].IEEE Trans.Circuits Syst.I:Reg.Papers,,2011,,58(11):2661-2672.

[10] PETKOV V P,BOSER B E.A fourth-order ΣΔ interface for micromachined inertial sensors[J].IEEE J.Solid-State Circuits,,2005,,40(8):1602–1609.

[11] NYS O J A P,HENDERSON R K.An analysis of dynamic element matching techniques in sigma-delta modulation[C].Proceedings IEEE International Symposium on Circuits and Systems.2012:231-234.



作者信息:

王保勝,,趙剛彬

(南陽理工學(xué)院 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,,河南 南陽473000)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。