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)驅動(dòng)開(kāi)環(huán)檢測的單軸MEMS陀螺儀信號處理電路。采用時(shí)域分析方法，對MEMS陀螺儀閉環(huán)驅動(dòng)環(huán)路進(jìn)行了穩定性分析，并提出了一種對等效電容共模部分不敏感的CV轉換結構。結果顯示，線(xiàn)性度±0．5％、功耗150 mw、ADC分辨率>11 bit。
關(guān)鍵詞 微機械陀螺儀；閉環(huán)驅動(dòng)：電容電壓轉換

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺儀是在20世紀80年代后期發(fā)展起來(lái)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、性能穩定，并且易于實(shí)現數字化和智能化等優(yōu)點(diǎn)，而成為倍受關(guān)注的研發(fā)領(lǐng)域。MEMS結構形成的電容變化具有受溫度影響小、穩定性好等特點(diǎn)，目前國內外眾多公司和研究所均集中于研究和開(kāi)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(shí)現成為MEMS陀螺儀產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

1 陀螺儀基本原理
MEMS陀螺儀系統框圖如圖1所示，GYRO模塊為片外MEMS傳感器，其余為信號處理ASIC。系統主要包含兩條信號路徑：驅動(dòng)環(huán)路和檢測通路。驅動(dòng)環(huán)路由CV(Cap-to-Vohage)(電容電壓轉換)、COMP(比較器)、PLL(鎖相環(huán))、Drive(驅動(dòng))構成，檢測通路由CV(電容電壓轉換)、Demodulator(解調器)、Fiher(低通濾波器)、AO(模擬輸出驅動(dòng))和ADC(模數轉換器)構成，可提供模擬輸出和數字輸出兩種輸出形式。

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

質(zhì)量塊作為動(dòng)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(guò)檢測電容的變化就可以得出與之相關(guān)的力變化，從而實(shí)現外接物理量與電信號的轉換。

2 陀螺儀系統分析
MEMS陀螺儀系統包括兩部分：驅動(dòng)環(huán)路和檢測通路。驅動(dòng)環(huán)路保證MEMS傳感器在某一固定頻率做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，檢測通路檢測出通過(guò)哥氏力才傳遞的輸入角速度的大小。
2．1 閉環(huán)驅動(dòng)穩定性分析
MEMS陀螺儀驅動(dòng)方式有開(kāi)環(huán)驅動(dòng)和閉環(huán)驅動(dòng)兩種驅動(dòng)方式。開(kāi)環(huán)驅動(dòng)結構簡(jiǎn)單，成本較低，但外加交流驅動(dòng)電壓的頻率很難做到與驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率一致。再者，一旦驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率隨溫度或時(shí)間發(fā)生漂移，外加驅動(dòng)交流電壓的頻率不能夠跟蹤驅動(dòng)模態(tài)固有頻率的變化，導致檢測靈敏度降低。閉環(huán)驅動(dòng)是利用MEMS傳感器驅動(dòng)軸的固有選頻特性，再加上外加反饋電路，實(shí)現自激振蕩，這種驅動(dòng)方式由于工作在驅動(dòng)軸的固有頻率上，并能夠跟蹤驅動(dòng)軸固有頻率的變化，因而能夠實(shí)現最大的檢測分辨率。
閉環(huán)驅動(dòng)時(shí)驅動(dòng)環(huán)路工作在驅動(dòng)軸的固有頻率上，這種情況下驅動(dòng)信號與驅動(dòng)軸的位移變化之間的相位差為π／2，對應的驅動(dòng)環(huán)路模型如圖2所示。

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