一種單軸MEMS陀螺儀信號處理電路設計

摘要 以MEMS陀螺儀傳感器為基礎，設計了一種閉環(huán)驅(qū)動開環(huán)檢測的單軸MEMS陀螺儀信號處理電路。采用時域分析方法，對MEMS陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動環(huán)路進行了穩(wěn)定性分析，并提出了一種對等效電容共模部分不敏感的CV轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，線性度±0．5％、功耗150 mw、ADC分辨率>11 bit。
關鍵詞 微機械陀螺儀；閉環(huán)驅(qū)動：電容電壓轉(zhuǎn)換

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺儀是在20世紀80年代后期發(fā)展起來的一種新型陀螺儀，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定，并且易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化等優(yōu)點，而成為倍受關注的研發(fā)領域。MEMS結(jié)構(gòu)形成的電容變化具有受溫度影響小、穩(wěn)定性好等特點，目前國內(nèi)外眾多公司和研究所均集中于研究和開發(fā)電容式MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀主要包括MEMS傳感器和信號處理電路。目前國內(nèi)在信號處理電路方面還處于PCB板級電路，而芯片級信號處理電路更能體現(xiàn)體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢，因此，芯片級MEMS陀螺儀信號處理電路的實現(xiàn)成為MEMS陀螺儀產(chǎn)業(yè)化的關鍵。

1 陀螺儀基本原理
MEMS陀螺儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，GYRO模塊為片外MEMS傳感器，其余為信號處理ASIC。系統(tǒng)主要包含兩條信號路徑：驅(qū)動環(huán)路和檢測通路。驅(qū)動環(huán)路由CV(Cap-to-Vohage)(電容電壓轉(zhuǎn)換)、COMP(比較器)、PLL(鎖相環(huán))、Drive(驅(qū)動)構(gòu)成，檢測通路由CV(電容電壓轉(zhuǎn)換)、Demodulator(解調(diào)器)、Fiher(低通濾波器)、AO(模擬輸出驅(qū)動)和ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)構(gòu)成，可提供模擬輸出和數(shù)字輸出兩種輸出形式。

GYRO為MEMS傳感器模型，包含驅(qū)動軸和檢測軸兩部分，通過外部驅(qū)動力驅(qū)動質(zhì)量塊在驅(qū)動方向作簡諧振動，當器件有角速度輸入的情況下，根據(jù)哥氏力質(zhì)量塊產(chǎn)生檢測方向上的位移。驅(qū)動軸和檢測軸的位移方程如下

質(zhì)量塊作為動齒，它和定齒及空氣介質(zhì)組成電容。質(zhì)量塊的位移使電容發(fā)生變化，所以通過檢測電容的變化就可以得出與之相關的力變化，從而實現(xiàn)外接物理量與電信號的轉(zhuǎn)換。

2 陀螺儀系統(tǒng)分析
MEMS陀螺儀系統(tǒng)包括兩部分：驅(qū)動環(huán)路和檢測通路。驅(qū)動環(huán)路保證MEMS傳感器在某一固定頻率做簡諧振動，檢測通路檢測出通過哥氏力才傳遞的輸入角速度的大小。
2．1 閉環(huán)驅(qū)動穩(wěn)定性分析
MEMS陀螺儀驅(qū)動方式有開環(huán)驅(qū)動和閉環(huán)驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。開環(huán)驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但外加交流驅(qū)動電壓的頻率很難做到與驅(qū)動模態(tài)的固有頻率一致。再者，一旦驅(qū)動模態(tài)的固有頻率隨溫度或時間發(fā)生漂移，外加驅(qū)動交流電壓的頻率不能夠跟蹤驅(qū)動模態(tài)固有頻率的變化，導致檢測靈敏度降低。閉環(huán)驅(qū)動是利用MEMS傳感器驅(qū)動軸的固有選頻特性，再加上外加反饋電路，實現(xiàn)自激振蕩，這種驅(qū)動方式由于工作在驅(qū)動軸的固有頻率上，并能夠跟蹤驅(qū)動軸固有頻率的變化，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最大的檢測分辨率。
閉環(huán)驅(qū)動時驅(qū)動環(huán)路工作在驅(qū)動軸的固有頻率上，這種情況下驅(qū)動信號與驅(qū)動軸的位移變化之間的相位差為π／2，對應的驅(qū)動環(huán)路模型如圖2所示。

如圖2所示，整個環(huán)路為非線性電路，并只對相位敏感，對電壓幅度不敏感。環(huán)路的穩(wěn)定性分析采用時域分析方法。