一种用于电容型体硅微陀螺的低噪声读出电路芯片ALow-No

第32卷第1期电子与信息学报Vol.32No.12010年1月JournalofElectronics&InformationTechnologyJan.2010一种用于电容型体硅微陀螺的低噪声读出电路芯片尹韬①杨海钢①张翀①②吴其松①②焦继伟③宓斌玮③①(中国科学院电子学研究所北京100190)②(中国科学院研究生院北京100039)③(上海微系统与信息系统研究所上海200050)摘要：读出电路位于微传感器系统信号通路的最前端，是决定系统性能的关键因素。本文针对音叉式体硅微陀螺的具体应用，提出了一种低噪声电容读出电路，芯片采用斩波技术降低了电路的低频1/f噪声、失调电压以及参考电压失配的影响，提高了读出电路的分辨率和动态范围；提出一种噪声电荷转移的分析方法，用于分析和预测读出电路的噪声性能；建立一种简化的微陀螺传感器仿真模型，用于模拟读出电路对微传感器的响应。读出电路在0.35μm2P4M标准CMOS工艺下设计流片，并与微传感器进行了联合应用，芯片面积为2×2.5mm2，在5V电源电压，100kHz的时钟频率下，实现了4aF/Hz的电容分辨率和94dB的动态范围。关键词：微陀螺；读出电路；低噪声；斩波中图分类号：TN431.1文献标识码：A文章编号：1009-5896(2010)01-0203-07DOI:10.3724/SP.J.1146.2008.01763ALow-NoiseReadoutCircuitforBulkMicro-MachinedCapacitiveGyroscopeYinTao①YangHai-gang①ZhangChong①②WuQi-song①②JiaoJi-wei③MiBin-wei③①(InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)②(GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)③(ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)Abstract:ReadoutcircuitisakeyfactordeterminingtheperformanceofMEMSgyroscopesystem,beingattheforefrontofthesignalloop.Thispaperpresentsalow-noisereadoutcircuitforabulkmicromachinedtuningforkgyroscope.Usingthechoppertechnique,thecircuitcanimprovetheresolutionanddynamicrangebycanceling1/fnoiseandoffsetoftheamplifier,andmismatchbetweenreferencevoltages.Theorypredictingtheresolutionofthereadoutcircuitisgivenwhichisbasedonnoisechargetransfermethod.Inordertosimulatetheresponseofthecircuitwiththevibratinggyroscope,asimplifiedtime-varyingcapacitormodelisalsoproposed.Thechipmeasures2×2.5mm2inastandard0.35μm2P4MCMOSprocess.ChiptestswiththeMEMSgyroscopeprovethevalidityoftheconceptsproposedandshowthatthereadoutcircuitachievesaresolutionof4aF/Hzwith94dBdynamicrangefromasingle5Vsupply.Keywords:Gyroscope;Readoutcircuit;Lownoise;Chopper1引言许多惯性测量的重要应用，如全球定位系统(GPS)导航、汽车ESP自动控制系统、虚拟现实技术等，都需要高精度、低偏移、低成本的MEMS陀螺仪[1]。电容型检测具有结构简单、分辨率高、抗干扰能力强、动态响应快、能在恶劣工况条件下工作等特点，因此成为微陀螺的主要形式。微陀螺传感系统的性能受到MEMS工艺、传感器件、读出电路、封装等诸多方面的影响[2]，但对大多数体硅微加工陀2008-12-22收到，2009-06-22改回国家863计划项目(2007AA04Z349)资助课题通信作者：杨海钢[e-mail]螺来说，系统的总噪声主要来自读出电路，因此如何设计出低噪声电容读出电路成为提高微陀螺系统分辨率等性能的关键技术。对体硅微加工工艺而言，传感器件与读出电路的单芯片集成是非常昂贵而且难以实现的，因此微陀螺芯片与读出电路芯片的二次集成成为性能和成本间的折衷方案。连续时间电压读出方式(CTV)在互连寄生电容很小的情况下有着优良的噪声性能，更适用于传感器和读出电路单片集成的情况，但需要为检测节点提供低噪声的直流偏置，如何利用合理的芯片面积，提供可靠而稳定的直流偏置对连续时间电压检测来说是一个挑战[3,4]。相比之下，开关电容(SC)电荷读204电子与信息学报第32卷图1MEMS陀螺出方式更易于CMOS工艺实现，并且容易为电路输入节点提供“虚地”，降低了输入寄生电容的影响，因此对微陀螺与读出电路无法单片集成的情况而言，SC读出方式将成为复杂度和性能间的一种有效折衷方案[59]−。2微陀螺系统结构本文的体硅微加工陀螺采用电磁驱动的音叉式结构[10]，如图1(a)和1(b)所示，由制作在硅片上的驱动质量块、检测质量块(可动电极)、弹性梁以及固定电极组成。此陀螺在大气下工作，谐振频率约为3kHz，带宽约100Hz。工作时，在驱动端输入交变电流，驱动质量块在电磁力作用下，作与驱动信号同频的简谐振动，此时如有Z方向角速度输入，检测质量块将在Y轴柯里奥利力(coriolis)作用下振动，从而引起其与固定电极间电容变化，检测该电容变化即可测得角速度。整个微陀螺系统的结构如图1(c)所示，由驱动环路和检测电路两部分组成[10]。其中驱动环路用于为陀螺提供驱动信号，同时为检测电路提供解调信号；检测电路用于将陀螺输出的电容变化转换为电压信号，并作进一步处理，通过同步解调电路得到角速度信号。电容读出电路位于检测电路的信号通路最前端，负责将微陀螺输出的微弱电容信号18(10F−～1210F−量级)转换为电压信号，以作后续处理，因此成为提高整个系统性能的关键部分。由于微陀螺输出的电容信号为几千赫兹频率，处于CMOS器件低频1/f噪声影响严重的频段，因此读出电路设计时必须首先消除此低频噪声的影响，然后才能做进一步的白噪声性能优化，以提高分辨率；另外，电路设计中还需要综合考虑参考电压稳定性、开关非理想因素等问题，以从整体上提高读出电路性能。3读出电路原理与实现3.1基本原理读出电路的整体结构如图2(a)所示，由电荷转移前端、电荷积分器、可编程增益级等部分构成。电路基于斩波技术，在电荷转移前端通过斩波器D1对电荷信号进行斩波，实现对微传感器电容信号的调制，此调制信号经过电荷积分器和放大后，在输出端经过斩波器D2的解调和低通滤波形成电压信号输出。电荷积分器和可变增益级的非理想失调osV、噪声VN，则在输出端被斩波调制到高频，并被低通滤波器滤除，频域原理如图2(b)所示。图2基于斩波技术的电容读出电路结构设图2(a)中电荷积分器和增益级的输入等效噪声为0,in=(1+/)NNkSSff，经过输出端的解调和低通滤波后，输出噪声为outNS，除以电路灵敏度后，得到电路的等效输入电容为in022noiseN22chop1712kNCVAfCSAfπ−⎛⎞⎟⎜⎟⎜≈⋅+⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠(1)其中，SN0为等效输入热噪声功率谱密度，fk为电荷积分器的等效输入1/f噪声拐角频率，fchop为斩波频率，AC-V为读出电路的电容-电压灵敏度，Anoise为噪声增益。为避免噪声折叠，拐角频率fk应小于fchop的一半。从式(1)可见，当斩波频率fchopfk时，斩波第1期尹韬等：一种用于电容型体硅微陀螺的低噪声读出电路芯片205技术可以有效抑制读出电路内部的低频噪声，且斩波频率越大，抑制效果越好，但同时会对电荷积分器和增益级的带宽设计提出更高的要求[11]。3.2读出电路的实现读出电路的具体实现如图3所示，电荷转移前端电路和电荷积分器完成将微陀螺输出的电容变化量转换为电压的功能：在111/ΦΦ相，电压SVDD，refV对微陀螺输出电容sC和rC充电；在2Φ相，sC和rC上的电荷之和被转移到积分电容iC上，在2CVV输出与(sC-rC)成正比的电压，经过可变增益级的放大，在mV节点输出。电路灵敏度为ref-gmBCVsrifCVVVACCCC−==⋅−(2)其中Vref通常设置为SVDD的一半，即VB＝Vref＝SVDD/2，通过控制电容gC的大小实现对电路灵敏度的调节作用。输入斩波调制器由两对开关实现(1Φ，11Φ控制)，输出端的斩波解调功能由对应的两个采样保持电路实现(SΦ，SSΦ)[12,13]，如图3所示。斩波方法不仅可以抑制中间电路的失调电压和低频1/f噪声，也可以解决基准电压refV与SVDD/2的不匹配问题。当SVDD-2refV=Ve0≠时，如果不采用斩波技术，则输出电压为refoutref()ggsrseififCCCCVCVVVCCCC⎡⎤−⋅⎢⎥=+⋅+⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦(3)其中，式(3)第1项为CΔ对应的输出电压，后一项则为基准电压不匹配带来的误差项，此时输出电压会出现与eV有关的偏移，影响读出电路的精度和动态范围。而采用斩波技术后，1Φ和11Φ对应的输出Vout1和Vout2均含有与式(3)类似的误差项，因此最终的差分输出仅与参考电压SVDD与gnd间的电压差有关，而与两者的中间电压refV无关，因此斩波技术消除了参考电压refV与SVDD/2间电压失配的影响，如式(4)所示。out,chopout1out2SVDDgsrifCCCVVVCC−=−=⋅⋅(4)由于电容两端的电压不能突变，微陀螺输出电容(sC，rC)充电和电荷转移时将产生毛刺信号，出现在放大器的输出端，影响电路的瞬态响应。本文通过为偏置电压refV加缓冲(refbufV)的方法，如图3所示，隔离了节点E至D的正向通路，避免了放大器正向输入端电压refV上的毛刺信号；同时在电荷转移开关与电荷积分器之间添加延时开关(2dΦ)，避免了2Φ相电荷中和过程完成之前的毛刺信号出现在放大器输入端。加缓冲和延时开关的方法有效消除了关键节点Vc2v和Vm上高达几百毫伏特的尖峰信号，抑制了电路非理想瞬态响应。为了抑制MOS开关的非理想特性，电路中的主要开关采用了冗余结构，以抵消电荷注入和时钟馈通对电路精度的影响。传感器微弱信号的开关电容读出电路需要放大器具有低噪声、高电源抑制比(PSRR)，并且能够驱动较大范围的电容负载。本文的放大器采用了如图4的折叠共源共栅单级结构，以解决SC电路负载电容大幅度变化所引起的稳定性问题，并提高电路的PSRR，同时进行了细致的低噪声设计和大输出范围设计，以提高读出电路的噪声性能和动态范围。图3读出电路的具体实现206电子与信息学报第32卷4噪声分析微陀螺的输出电容变化非常微小，对读出电路的噪声特性提出了很高的要求，采用斩波结构消除低频1/f噪声后，读出电路的白噪声和开关电容的kBT/C噪声成为限制读出电路分辨率的主要因素[11,13]。由于电路为开关电容结构，因此本文提出了不同时钟相间噪声电荷转移的分析方法。由于电荷积分器是完成