0 引言

    高性能微機械系統（MEMS）加速度計被用于各種消費市場和軍事領域，如慣性導航與制導、GPS輔助導航、云臺控制、平臺穩定。近年來由于微機械加速度計的低噪聲、低功耗、低成本和高靈敏度特性，高精度的電容式加速度計日益普及起來^[1-2]。

    雖然微機械加工水平不斷提高，但是依然無法消除敏感結構加工過程中產生的誤差。為了盡可能地降低由于微機械加工工藝不穩定帶來的誤差，希望同一款芯片能夠提供盡可能多的可調節手段，這樣當敏感結構由于加工偏差導致參數偏移時，可以通過后續的外部參數調節來進行補償或者校正；同時為了適應不同的應用場景和客戶需求，同一款芯片應該具備多功能輸出^[3]。對于高精度電容式微機械加速度計而言，可以通過外圍器件控制實現系統的模擬輸出與數字輸出選擇，這樣就能滿足不同的客戶需求。模擬輸出和數字輸出功能具有各自的優缺點：通過比較開環模擬輸出和閉環模擬輸出可以驗證敏感結構的參數特性，同時模擬輸出經過簡單的濾波就可以實現高精度輸出，不需要大規模的數字濾波器占用芯片面積。能夠提供數字輸出功能的微機械加速度計芯片無需后級高精度AD對模擬輸出進行采樣，自然降低了整體的功耗，也能提高系統精度。同時數字微機械加速度計芯片對敏感結構的參數誤差相對而言不那么敏感^[4-6]。

    本文為了實現帶數模混合輸出的微機械加速度計芯片，設計了通用的前級電荷放大器、輸出和反饋控制以及時序控制電路，為模擬輸出通路設計了PID電路、低通濾波器等，為數字輸出通路設計了積分器電路和一位的AD、DA電路。本設計最后經過了流片實驗結果的驗證。

1 電路設計

    本設計方案的框圖如圖1所示，圖中包含模擬敏感結構的差分電容對C_S1和C_S2及控制開關S1~S4，低噪聲電荷放大器電路A1及控制開關S5~S6，采樣保持電路及控制開關（C_C、C_H、S7~S8、A2），輸出選擇控制、積分器、1位AD及DA、PID單元、低通濾波器(LPF)、緩沖器A3、反饋控制和開關S9。敏感結構通過鍵合線和芯片電連接，開關S1~S4在控制時鐘的作用下實現信號的調制，低噪聲電荷放大器電路A1和采樣保持電路一起實現信號的解調，通過電容C_C、開關S7和S8的相關雙采樣技術實現了低頻噪聲的消除。輸出控制電路通過CMOS開關來選擇數字通路和模擬通路。數字通路上信號經過兩級積分器電路和1 bit A/D實現數字輸出，積分器、敏感結構、1 bit D/A反饋構成的環路具有四階噪聲整形能力。模擬通路上PID（比例-積分-微分）控制器用來調節環路增益和相位，調整系統的穩定性，通過片外電阻、電容的選擇來針對不同的敏感結構進行參數配置，增加系統的適配性和靈活性。PID的輸出經過低通濾波器后輸出高精度模擬信號。跟隨器電路A2、A3實現信號的隔離和增強驅動能力。

    圖2是前級電荷放大器和積分器電路的運放原理圖。單級折疊共源共柵運放相對于兩級運放而言功耗較小，同時70 dB以上的增益也能滿足系統的設計要求。采用開關電容共模反饋結構能進一步降低功耗。由于后級積分器電路的噪聲能夠被前級整形，所以采樣電容值無需太大，因此可以降低運放的負載，降低電流消耗。跟隨器和PID中的運放要求比較大的增益，因此采用兩級折疊共源共柵結構來提供較大的直流增益，能有效提高系統的線性度，降低失真。同時第二級輸出的擺幅比較大，能滿足系統較大的輸出動態范圍。本文設計的兩級運放直流增益大于100 dB，帶寬約為4 MHz。

    如圖3所示的PID能為系統提供額外的電學阻尼，尤其是當敏感結構阻尼系數較低時，就需要PID提供電學阻尼來維持電學系統的穩定性。從理論上來講，PID給閉環傳輸函數引入一個位于-K_D/K_P的零點來補償系統的阻尼比，其中K_D=-1/R₂C₂，K_P=-R₃/R₂。

    由于積分器的輸出信號擺幅不大，所以積分器電路中的運放也采用單級折疊共源共柵結構，可以有效減少整體的功耗。因為積分器的噪聲可以被前級整形，因此其采樣電容和積分電容可以等比例縮放，只要維持電容比不變即可。對于1位AD來說，簡單來講就是采用鎖存比較器來實現。本設計的采樣頻率為250 kHz，對于比較器速度的要求不高，需要關注的是比較器的精度。

2 測試

    芯片PAD采用硅鋁絲鍵合和基板進行電連接。采用片外晶振在片內進行分頻，分別給前級電荷檢測部分和后級積分器提供時鐘。電源電壓3.3 V，參考電壓±1.65 V，為了降低設計難度，敏感結構采用常壓封裝的三明治結構，理論上的機械噪聲小于1 μg/√Hz。由于采用了非真空封裝，所以數字輸出通路上無需采用相位補償器進行相位補償。為了盡量減少外界環境干擾對測試結果的影響，對測量系統進行減震處理^[7]。通過開關選擇數字通路輸出有效，用邏輯分析儀采集加速度計系統的數字輸出碼流，在MATLAB標準程序中對262 144點數據進行處理，其數字輸出頻譜如圖4所示。經過減震處理后的低頻部分較為平坦，證明減震系統具有較好的環境噪聲濾出效果。如果按照底噪水平提升3 dB作為應用帶寬限制的話，從圖4中可以大概估算出應用帶寬為1.4 kHz，實際上從系統的信號傳輸曲線來講，理論上的應用帶寬遠大于1.4 kHz。

    對整體結構做±1 g的翻轉實驗，測算出系統的靈敏度約為1.65 V/g。將圖4中的頻譜歸一化值轉換為噪聲密度，得到的數字輸出噪聲譜密度如圖5所示。后級電路的量化噪聲、運放噪聲都得到了充分的噪聲整形，低頻處的噪聲密度小于2 μg/√Hz，主要受前級電荷放大器引入的噪聲限制，可能是參考電壓和開關熱噪聲。小于10 Hz的低頻處噪聲高于2 μg/√Hz，這應該是環境噪聲引入的。雖然本系統采用了減震處理，能夠濾出大部分的環境噪聲，但更低頻處的環境噪聲消除還需要對減震系統做進一步的優化。模擬輸出帶寬大于2 kHz，輸出的噪聲密度頻譜圖如圖6所示，圖中的尖峰為50 Hz工頻干擾以及低頻環境干擾，輸出噪聲約為-100 dBV。根據敏感結構和電源電壓估算系統的量程約為±3 g。

3 結束語

    本文針對不同的應用需求，設計了帶數模混合輸出的微機械加速度計系統，測試結果表明數字輸出低頻處的噪聲密度小于2 μg/√Hz，帶寬大于1.4 kHz，模擬輸出噪聲小于-100 dBV，帶寬大于2 kHz，經過測試驗證了設計的正確性。

參考文獻

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作者信息：

劉曉慧，劉克成

(南陽理工學院 信息化建設與管理中心，河南 南陽473004)