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，設計了一種閉環驅動開環檢測的單軸MEMS陀螺儀信號處理電路。采用時域分析方法，對MEMS陀螺儀閉環驅動環路進行了穩定性分析，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，線性度±0．5％、功耗150 mw、ADC分辨率>11 bit。
關鍵詞 微機械陀螺儀；閉環驅動：電容電壓轉換

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺儀是在20世紀80年代后期發展起來的一種新型陀螺儀，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、性能穩定，并且易于實現數字化和智能化等優點，而成為倍受關注的研發領域。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，目前國內外眾多公司和研究所均集中于研究和開發電容式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、功耗低等優勢，因此，芯片級MEMS陀螺儀信號處理電路的實現成為MEMS陀螺儀產業化的關鍵。

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：驅動環路和檢測通路。驅動環路由CV(Cap-to-Vohage)(電容電壓轉換)、COMP(比較器)、PLL(鎖相環)、Drive(驅動)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)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，包含驅動軸和檢測軸兩部分，通過外部驅動力驅動質量塊在驅動方向作簡諧振動，當器件有角速度輸入的情況下，根據哥氏力質量塊產生檢測方向上的位移。驅動軸和檢測軸的位移方程如下

質量塊作為動齒，它和定齒及空氣介質組成電容。質量塊的位移使電容發生變化，所以通過檢測電容的變化就可以得出與之相關的力變化，從而實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：驅動環路和檢測通路。驅動環路保證MEMS傳感器在某一固定頻率做簡諧振動，檢測通路檢測出通過哥氏力才傳遞的輸入角速度的大小。
2．1 閉環驅動穩定性分析
MEMS陀螺儀驅動方式有開環驅動和閉環驅動兩種驅動方式。開環驅動結構簡單，成本較低，但外加交流驅動電壓的頻率很難做到與驅動模態的固有頻率一致。再者，一旦驅動模態的固有頻率隨溫度或時間發生漂移，外加驅動交流電壓的頻率不能夠跟蹤驅動模態固有頻率的變化，導致檢測靈敏度降低。閉環驅動是利用MEMS傳感器驅動軸的固有選頻特性，再加上外加反饋電路，實現自激振蕩，這種驅動方式由于工作在驅動軸的固有頻率上，并能夠跟蹤驅動軸固有頻率的變化，因而能夠實現最大的檢測分辨率。
閉環驅動時驅動環路工作在驅動軸的固有頻率上，這種情況下驅動信號與驅動軸的位移變化之間的相位差為π／2，對應的驅動環路模型如圖2所示。

如圖2所示，整個環路為非線性電路，并只對相位敏感，對電壓幅度不敏感。環路的穩定性分析采用時域分析方法。