用于分離模式MEMS陀螺儀的低閃爍噪聲自動幅度控制的ASIC

摘要：

本文介紹了一種用于分離式MEMS陀螺儀的全差分、低閃爍噪聲、自動幅度控制（AAC）的ASIC。先分析了AAC中閃爍噪聲對陀螺儀偏置不穩(wěn)定性的影響。使用斬波器穩(wěn)定的幅度檢測器和誤差放大器來消除它們的閃爍噪聲。二階環(huán)路濾波器可以降低來自可變增益放大器（VGA）的閃爍噪聲。ASIC采用TSMC0.35μmCMOS工藝制造，功耗為1mW，電源電壓為3.3V。實驗結果表明，陀螺儀驅動的幅度中的閃爍噪聲分量大大降低。

1.介紹

如今，具有CMOS讀出電路接口的MEMS陀螺儀由于其低成本，低功耗和小尺寸的優(yōu)點在消費者和汽車市場中被廣泛采用。然而，受其長期誤差的限制，MEMS陀螺儀僅適用于這些應用，它們的輸出的角速率積分精度不是主要考慮因素，例如智能手機，游戲控制器和相機穩(wěn)定系統(tǒng)。另一方面，在慣性導航系統(tǒng)（INS）中，MEMS陀螺儀的集成誤差決定整體的航向精度。為了定期校正MEMS陀螺儀的集成誤差，GPS在微慣性測量單元（MIMU）中是絕對必要的。隨著新興地區(qū)的興起，需要長時間的獨立慣性導航，如精確的車輛導航和增強現實技術。因此，需要進一步改善MEMS陀螺儀的長期誤差。

根據Allan方差，MEMS陀螺儀的輸出誤差可分為三個主要分量，即角度隨機游走（ARW），偏置不穩(wěn)定性和速率隨機游走（RRW）。ARW主要由MEMS陀螺儀及其CMOS前端的白噪聲貢獻，通常決定陀螺儀的寬帶和短期穩(wěn)定性。RRW主要描述其由于環(huán)境因素（例如溫度和應力）引起的漂移。偏置不穩(wěn)定性代表陀螺儀的最終精度，其受到CMOS讀出電路中閃爍噪聲的限制。

對于車輛導航和增強現實，當GPS或其他絕對定位傳感器的信息丟失時，純慣性導航的操作時間約為1-10分鐘。已經證明，MEMS陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性在該時間尺度期間導致了其整體的集成誤差。然而，MEMS陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性的來源尚未得到很好的研究，并且沒有報道相應的解決方案。

本文首先分析了AAC中閃爍噪聲與陀螺儀偏置不穩(wěn)定性之間的關系。隨后，設計斬波穩(wěn)定幅度檢測器和誤差放大器以消除其閃爍噪聲，并采用二階環(huán)路濾波器來衰減來自VGA的閃爍噪聲。實驗結果驗證了所提出的AAC大大降低了陀螺儀驅動幅度中的閃爍噪聲，并改善了其偏置不穩(wěn)定性。

2. AAC的系統(tǒng)架構和噪聲模型

圖1給出了MEMS陀螺儀驅動環(huán)路的典型框圖。在驅動回路中，驅動器前端將MEMS諧振器的運動電流轉換為電壓，并提供所需的增益以使振蕩啟動。當幅度檢測器檢測到Vx的即時振蕩幅度，并將其與某個參考電壓Vref進行比較時，來自誤差放大器的產生的誤差信號Vc通過VGA調節(jié)驅動環(huán)路增益，以實現穩(wěn)定的振蕩幅度，用作感測通道的解調參考，以區(qū)分輸入角速率和正交誤差。

由于MEMS陀螺儀的振蕩頻率約為10-100kHz，閃爍噪聲標準CMOS工藝的轉角頻率約為1kHz，因此固有地消除了驅動前端中閃爍噪聲的影響。相反，AAC中的電路來處理陀螺儀的驅動幅度，即近直流信號，幅度檢測器，誤差放大器和VGA的閃爍噪聲直接與驅動幅度混合。在感測通道中進行相位敏感解調后，驅動振幅中的閃爍噪聲出現在陀螺儀的角速率輸出中，成為其偏置不穩(wěn)定性的主要原因。圖2給出了MEMS陀螺儀驅動環(huán)路的系統(tǒng)級噪聲模型。當僅考慮其振幅時，H（s）代表MEMS諧振器的等效傳遞函數，其可表示為，

其中ω0x，Qx和kx表示陀螺儀的驅動諧振器的諧振頻率，品質因數和剛度。此外，Rx，KA，Ke，Kc代表驅動前端，幅度檢測器，誤差放大器和VGA的增益，L（s）是環(huán)路濾波器的傳遞函數。NA（s），Nref（s），NE（s），NV（s）代表幅度檢測器，電壓參考，誤差放大器和VGA的噪聲源。

圖2. MEMS陀螺儀驅動環(huán)路的噪聲模型

當RxKAKeKcL（s）H（s）>> 1時，Vx（驅動前端輸出電壓）的輸出噪聲可以推導為。：

從等式（2）可知，來自VGA的噪聲由環(huán)路濾波器整形，其他噪聲分量在KA≈1時直接轉換為幅度噪聲。因此，NA（s），Nref（s），NE（s）和NV（s）中的閃爍噪聲應該最小化，以改善陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性。

3.電路實現

根據等式（2），為了消除NA（s）和NE（s）的閃爍噪聲，在幅度檢測器和誤差放大器中應采用斬波器穩(wěn)定。圖3給出了具有斬波穩(wěn)定性的幅度檢測器的示意圖。它的核心模塊是一對交流電壓跟隨器，它們在亞閾值區(qū)域偏置，只跟隨輸入信號的負半周期。R1和R2提取輸入共模電壓。只有一個交流電壓跟隨器輸出輸入信號的幅度，而另一個輸出共模電壓同時輸出共模電壓，從而使其與差分工作模式兼容。

斬波幅度信號饋入誤差放大器，其原理圖如圖4所示。其輸入級是一個gm單元，它將輸入電壓轉換為電流。通過將兩個gm單元的輸出連接在一起，在電流域中完成振蕩幅度和參考電壓的比較。在斬波器4流到環(huán)路濾波器之前，誤差電流被斬波器4變頻到DC范圍。

根據等式（2），在該設計中采用二階環(huán)路濾波器，通過利用等式（3）中給出的積分分量來消除VGA的閃爍噪聲。

采用二階環(huán)路濾波器后，VGA的設計限制大大減輕，其主要考慮因素是減小其擴展空間以擴大其調節(jié)范圍。圖5顯示了這項工作中采用的VGA。與廣泛使用的Gilbert單元VGA相比，M1-M4在線性區(qū)域工作，尾電流源被消除，以增加其輸出擺幅。誤差放大器輸出Vc調節(jié)M1-M4的抗衰減電阻，從而調節(jié)VGA輸出幅度Vd，以保持穩(wěn)定的振蕩幅度。 此外，可以通過全差分拓撲實現更好的線性度。

4.測試結果

CMOS讀出電路采用TSMC0.35μm工藝制造，其芯片照片如圖6所示。它通過定制PCB與電壓為3.3V的MEMS陀螺儀連接。

圖6.是MEMS陀螺儀驅動電路的模擬照。MEMS陀螺儀的振蕩啟動過程如圖7所示。它表明AAC可以穩(wěn)定振蕩幅度，啟動時間小于1s。

圖7為振蕩信號Vx的測試啟動過程。為了研究AAC的閃爍噪聲衰減效應，采用NI-DAQ板記錄Vx的幅度，并將其轉換為陀螺儀的機械位移以繪制其功率譜密度。如圖8所示，當AAC中的斬波器關閉時，可以觀察到明顯的閃爍噪聲分量，并且當斬波器開啟時幾乎看不到閃爍噪聲，這肯定了所提出的低閃爍噪聲AAC的有效性。

5.結論

本文提出了一種用于MEMS陀螺儀的低閃爍噪聲自動幅度控制ASIC，它采用TSMC0.35μm工藝制造，具有3.3V電源。采用斬波器穩(wěn)定來消除幅度檢測器和誤差放大器的閃爍噪聲以及二階環(huán)路濾波器衰減VGA產生的閃爍噪聲。實驗結果表明，該AAC可以大大降低MEMS陀螺儀振蕩幅度中的閃爍噪聲。