MEMS谐振器电容读出电路设计研究文献综述

 2023-08-07 15:23:27

文献综述(或调研报告):

1、基于斩波技术的读出电路

目前,参与硅微陀螺及其敏感信号读出电路研究的单位遍及美洲、欧洲和亚洲。

ADI公司2013年设计的CMOS电容敏感读出电路,如图1所示,采用电荷放大器,结合相关双采样和连续时间正弦斩波技术和连续时间模式反转技术,使得所用3.3kHz硅微谐振陀螺角度随机游走从9°/hr降低到2°/hr。

华东光电器件研究所于2019年设计了一种新型的低噪声硅微机械陀螺电容读出电路。该读出电路应用一款单片数字陀螺信号调理电路芯片,芯片采用0.18mu;m CMOS工艺。电路同时采用斩波和相关双采样两种低噪声设计技术,提高了电路的动态范围和分辨率。测试结果表明,在12.58V /pF电路灵敏度下,电容读出电路输出噪声可达-122.8dBV /Hz1/2等效电容分辨率可达0.06aF /Hz1/2,该电路能满足高精度硅微陀螺的应用需求。

2、基于开关电容的电容读出电路

使用开关电容与相关双采样技术进行MEMS电容检测最初被应用于加速度计中在2000年左右开始出现在硅微陀螺系统中。 Si-ware公司基于0.18um高压CMOS技术设计的开关电容前端,图三所示,方波共模激励信号作用于陀螺质量块,使驱动和敏感信号分离,再经输入共模反馈环路消除共模激励的影响,200Hz工作带宽下等效输入噪声为lm°/s/.2013年的超低噪声闭环力反馈陀螺系统将零偏降低到1°/hr 。

中国科学院于2010年提出了一种基于开关检测方式的高性能读出电路,该电路通过对差分电容的交叉采样,消除了由于参考电容与传感器零输入电容不相等引入的误差,全差分电路结构提高了读出电路的分辨率和动态范围等性能。针对读出电路和传感器联合仿真问题,提出了一种简化的微陀螺传感器仿真模型,这些分析方法和仿真方法对其他类型的开关电容读出电路噪声分析和联合仿真均有着借鉴意义。芯片测试结果验证了电路工作在500 kHz的时钟频率下,实现了1.5 aF/Hz1/2的电容分辨率和大于100 dB的动态范围。

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