关于一种带数模混合输出的加速度计系统的设计和验证

0 引言

高性能微机械系统（MEMS）加速度计被用于各种消费市场和军事领域，如惯性导航与制导、GPS辅助导航、云台控制、平台稳定。近年来由于微机械加速度计的低噪声、低功耗、低成本和高灵敏度特性，高精度的电容式加速度计日益普及起来[1-2]。

虽然微机械加工水平不断提高，但是依然无法消除敏感结构加工过程中产生的误差。为了尽可能地降低由于微机械加工工艺不稳定带来的误差，希望同一款芯片能够提供尽可能多的可调节手段，这样当敏感结构由于加工偏差导致参数偏移时，可以通过后续的外部参数调节来进行补偿或者校正；同时为了适应不同的应用场景和客户需求，同一款芯片应该具备多功能输出[3]。对于高精度电容式微机械加速度计而言，可以通过外围器件控制实现系统的模拟输出与数字输出选择，这样就能满足不同的客户需求。模拟输出和数字输出功能具有各自的优缺点：通过比较开环模拟输出和闭环模拟输出可以验证敏感结构的参数特性，同时模拟输出经过简单的滤波就可以实现高精度输出，不需要大规模的数字滤波器占用芯片面积。能够提供数字输出功能的微机械加速度计芯片无需后级高精度AD对模拟输出进行采样，自然降低了整体的功耗，也能提高系统精度。同时数字微机械加速度计芯片对敏感结构的参数误差相对而言不那么敏感[4-6]。

本文为了实现带数模混合输出的微机械加速度计芯片，设计了通用的前级电荷放大器、输出和反馈控制以及时序控制电路，为模拟输出通路设计了PID电路、低通滤波器等，为数字输出通路设计了积分器电路和一位的AD、DA电路。本设计最后经过了流片实验结果的验证。

1 电路设计

本设计方案的框图如图1所示，图中包含模拟敏感结构的差分电容对CS1和CS2及控制开关S1~S4，低噪声电荷放大器电路A1及控制开关S5~S6，采样保持电路及控制开关（CC、CH、S7~S8、A2），输出选择控制、积分器、1位AD及DA、PID单元、低通滤波器(LPF)、缓冲器A3、反馈控制和开关S9。敏感结构通过键合线和芯片电连接，开关S1~S4在控制时钟的作用下实现信号的调制，低噪声电荷放大器电路A1和采样保持电路一起实现信号的解调，通过电容CC、开关S7和S8的相关双采样技术实现了低频噪声的消除。输出控制电路通过CMOS开关来选择数字通路和模拟通路。数字通路上信号经过两级积分器电路和1 bit A/D实现数字输出，积分器、敏感结构、1 bit D/A反馈构成的环路具有四阶噪声整形能力。模拟通路上PID（比例-积分-微分）控制器用来调节环路增益和相位，调整系统的稳定性，通过片外电阻、电容的选择来针对不同的敏感结构进行参数配置，增加系统的适配性和灵活性。PID的输出经过低通滤波器后输出高精度模拟信号。跟随器电路A2、A3实现信号的隔离和增强驱动能力。

图2是前级电荷放大器和积分器电路的运放原理图。单级折叠共源共栅运放相对于两级运放而言功耗较小，同时70 dB以上的增益也能满足系统的设计要求。采用开关电容共模反馈结构能进一步降低功耗。由于后级积分器电路的噪声能够被前级整形，所以采样电容值无需太大，因此可以降低运放的负载，降低电流消耗。跟随器和PID中的运放要求比较大的增益，因此采用两级折叠共源共栅结构来提供较大的直流增益，能有效提高系统的线性度，降低失真。同时第二级输出的摆幅比较大，能满足系统较大的输出动态范围。本文设计的两级运放直流增益大于100 dB，带宽约为4 MHz。

如图3所示的PID能为系统提供额外的电学阻尼，尤其是当敏感结构阻尼系数较低时，就需要PID提供电学阻尼来维持电学系统的稳定性。从理论上来讲，PID给闭环传输函数引入一个位于-KD/KP的零点来补偿系统的阻尼比，其中KD=-1/R2C2，KP=-R3/R2。

由于积分器的输出信号摆幅不大，所以积分器电路中的运放也采用单级折叠共源共栅结构，可以有效减少整体的功耗。因为积分器的噪声可以被前级整形，因此其采样电容和积分电容可以等比例缩放，只要维持电容比不变即可。对于1位AD来说，简单来讲就是采用锁存比较器来实现。本设计的采样频率为250 kHz，对于比较器速度的要求不高，需要关注的是比较器的精度。

2 测试

芯片PAD采用硅铝丝键合和基板进行电连接。采用片外晶振在片内进行分频，分别给前级电荷检测部分和后级积分器提供时钟。电源电压3.3 V，参考电压±1.65 V，为了降低设计难度，敏感结构采用常压封装的三明治结构，理论上的机械噪声小于1 μg/√Hz。由于采用了非真空封装，所以数字输出通路上无需采用相位补偿器进行相位补偿。为了尽量减少外界环境干扰对测试结果的影响，对测量系统进行减震处理[7]。通过开关选择数字通路输出有效，用逻辑分析仪采集加速度计系统的数字输出码流，在MATLAB标准程序中对262 144点数据进行处理，其数字输出频谱如图4所示。经过减震处理后的低频部分较为平坦，证明减震系统具有较好的环境噪声滤出效果。如果按照底噪水平提升3 dB作为应用带宽限制的话，从图4中可以大概估算出应用带宽为1.4 kHz，实际上从系统的信号传输曲线来讲，理论上的应用带宽远大于1.4 kHz。

对整体结构做±1 g的翻转实验，测算出系统的灵敏度约为1.65 V/g。将图4中的频谱归一化值转换为噪声密度，得到的数字输出噪声谱密度如图5所示。后级电路的量化噪声、运放噪声都得到了充分的噪声整形，低频处的噪声密度小于2 μg/√Hz，主要受前级电荷放大器引入的噪声限制，可能是参考电压和开关热噪声。小于10 Hz的低频处噪声高于2 μg/√Hz，这应该是环境噪声引入的。虽然本系统采用了减震处理，能够滤出大部分的环境噪声，但更低频处的环境噪声消除还需要对减震系统做进一步的优化。模拟输出带宽大于2 kHz，输出的噪声密度频谱图如图6所示，图中的尖峰为50 Hz工频干扰以及低频环境干扰，输出噪声约为-100 dBV。根据敏感结构和电源电压估算系统的量程约为±3 g。

3 结束语

本文针对不同的应用需求，设计了带数模混合输出的微机械加速度计系统，测试结果表明数字输出低频处的噪声密度小于2 μg/√Hz，带宽大于1.4 kHz，模拟输出噪声小于-100 dBV，带宽大于2 kHz，经过测试验证了设计的正确性。