关于一种带数模混合输出的加速度计系统的设计和验证.doc
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1、关于一种带数模混合输出的加速度计系统的设计和验证0 引言高性能微机械系统(MEMS)加速度计被用于各种消费市场和军事领域,如惯性导航与制导、GPS辅助导航、云台控制、平台稳定。近年来由于微机械加速度计的低噪声、低功耗、低成本和高灵敏度特性,高精度的电容式加速度计日益普及起来1-2。虽然微机械加工水平不断提高,但是依然无法消除敏感结构加工过程中产生的误差。为了尽可能地降低由于微机械加工工艺不稳定带来的误差,希望同一款芯片能够提供尽可能多的可调节手段,这样当敏感结构由于加工偏差导致参数偏移时,可以通过后续的外部参数调节来进行补偿或者校正;同时为了适应不同的应用场景和客户需求,同一款芯片应该具备多功
2、能输出3。对于高精度电容式微机械加速度计而言,可以通过外围器件控制实现系统的模拟输出与数字输出选择,这样就能满足不同的客户需求。模拟输出和数字输出功能具有各自的优缺点:通过比较开环模拟输出和闭环模拟输出可以验证敏感结构的参数特性,同时模拟输出经过简单的滤波就可以实现高精度输出,不需要大规模的数字滤波器占用芯片面积。能够提供数字输出功能的微机械加速度计芯片无需后级高精度AD对模拟输出进行采样,自然降低了整体的功耗,也能提高系统精度。同时数字微机械加速度计芯片对敏感结构的参数误差相对而言不那么敏感4-6。本文为了实现带数模混合输出的微机械加速度计芯片,设计了通用的前级电荷放大器、输出和反馈控制以及
3、时序控制电路,为模拟输出通路设计了PID电路、低通滤波器等,为数字输出通路设计了积分器电路和一位的AD、DA电路。本设计最后经过了流片实验结果的验证。1 电路设计本设计方案的框图如图1所示,图中包含模拟敏感结构的差分电容对CS1和CS2及控制开关S1S4,低噪声电荷放大器电路A1及控制开关S5S6,采样保持电路及控制开关(CC、CH、S7S8、A2),输出选择控制、积分器、1位AD及DA、PID单元、低通滤波器(LPF)、缓冲器A3、反馈控制和开关S9。敏感结构通过键合线和芯片电连接,开关S1S4在控制时钟的作用下实现信号的调制,低噪声电荷放大器电路A1和采样保持电路一起实现信号的解调,通过电
4、容CC、开关S7和S8的相关双采样技术实现了低频噪声的消除。输出控制电路通过CMOS开关来选择数字通路和模拟通路。数字通路上信号经过两级积分器电路和1 bit A/D实现数字输出,积分器、敏感结构、1 bit D/A反馈构成的环路具有四阶噪声整形能力。模拟通路上PID(比例-积分-微分)控制器用来调节环路增益和相位,调整系统的稳定性,通过片外电阻、电容的选择来针对不同的敏感结构进行参数配置,增加系统的适配性和灵活性。PID的输出经过低通滤波器后输出高精度模拟信号。跟随器电路A2、A3实现信号的隔离和增强驱动能力。图2是前级电荷放大器和积分器电路的运放原理图。单级折叠共源共栅运放相对于两级运放而
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