新型低噪聲微機械陀螺閉環驅動電路

孫 明，譚曉昀，李子芃，劉曉為 ，2

(1．哈爾濱工業大學MEMS中心，150001哈爾濱，fuxinmingming@126．com;2．微系統與微結構制造教育部重點實驗室，150001哈爾濱)

新型低噪聲微機械陀螺閉環驅動電路

孫 明1，譚曉昀1，李子芃1，劉曉為1，2

(1．哈爾濱工業大學MEMS中心，150001哈爾濱，fuxinmingming@126．com;2．微系統與微結構制造教育部重點實驗室，150001哈爾濱)

為將陀螺結構引入到閉環驅動電路的仿真系統中，建立了與微機械陀螺結構等價的電學模型．微機械陀螺閉環驅動電路基于電荷泵鎖相環技術，用低噪聲跨阻放大器代替傳統的電荷放大器實現I－V轉換，有效避免了電荷放大器在實現I－V轉換時所產生的隨陀螺固有頻率變化而變化的相位誤差．用基于CCCII+技術的有源電阻代替無源電阻，大大降低了電路的噪聲，并且提高了電路的集成度．仿真結果表明，微機械陀螺結構的固有頻率為2.7 kHz，陀螺結構在驅動方向位移的相位滯后于驅動方向驅動力相位90°;在50 μA的偏置電流下，有源電阻阻值為250 kΩ，在工作頻率下的噪聲為0.037 fV2/Hz，大大低于無源電阻的噪聲．閉環接口電路實現了在陀螺固有頻率下的自激振蕩．

閉環驅動電路;微機械陀螺;CCCII+

微機械陀螺接口電路最初采用開環系統，開環系統的設計難度低，但是具有其自身固有的缺陷［1］．開環系統需要預先輸入驅動交流信號，并且要保證輸入的驅動交流信號與陀螺結構自身固有頻率相等，才能得到最大的頻率響應．但是，由于外界溫度、濕度等環境條件的影響，微機械陀螺結構的固有頻率會發生變化，使外界輸入的交流驅動信號的頻率不能跟隨陀螺固有頻率，造成輸出響應不穩定．為此，微機械陀螺都采用閉環的接口電路方式．閉環接口電路中交流驅動信號由電路自身產生，不需要外加交流驅動信號，驅動信號能夠跟蹤陀螺的固有頻率的變化，保證了系統的頻率穩定性和幅值穩定性．然而，陀螺閉環接口電路存在如何使陀螺結構能夠在其固有頻率下起振的設計難點．

本文中提出了一種基于鎖相技術的微機械陀螺閉環驅動電路，設計了一種高增益低噪聲的電阻放大器來實現陀螺閉環接口電路前端的I－V轉換．

1 基于鎖相技術的微機械陀螺閉環驅動電路

微機械陀螺結構在驅動方向位移的相位滯后于陀螺結構驅動力相位90°．其結構為電容式全對稱陀螺儀結構［1－4］，陀螺驅動梳齒之間的工作類似于許多對可變電容的平行板電容器，陀螺結構驅動方向敏感電流的相位滯后于陀螺結構驅動方向位移相位90°，使陀螺驅動方向的敏感電流與陀螺結構在驅動方向的驅動力同相．

為了完成微機械陀螺結構的閉環自激振蕩，只要在微機械陀螺閉環驅動電路中保證微機械陀螺結構輸出的敏感電流與經過閉環驅動電路處理后最終得到的驅動電壓同相即可．基于鎖相原理的微機械陀螺閉環驅動電路的結構如圖1．

圖1 基于鎖相原理的微機械陀螺閉環驅動電路

陀螺接口電路前端由跨阻放大器將微機械陀螺結構輸出的敏感電流轉換為可被陀螺接口電路處理的電壓量，并實現相當大的電壓增益．微機械陀螺結構輸出的敏感電流一般在nA量級．后級的比較器將跨阻放大器輸出的電壓信號與一個固定的直流電壓相比較，得到一個與跨阻放大器輸出信號同相的方波信號，這個方波信號與陀螺結構敏感電流也是同相的．比較器的輸出為電荷泵鎖相環的輸入VIN，電荷泵鎖相環對輸入信號VIN鎖相，得到一個與輸入VIN同相的電壓量VOUT．

電荷泵鎖相環主要由鑒頻鑒相器、電荷泵、環路濾波器、壓控振蕩器、分頻器組成．其能夠鎖定輸入信號VIN與輸出信號VOUT的相位，保證兩者的相位是完全相同的，從而保證整個閉環陀螺接口電路的相移為零，即微機械陀螺結構驅動方向的敏感電流與閉環驅動電路輸出的微機械陀螺結構的驅動電壓同相．圖1中的虛線部分為電荷泵鎖相環，其中的鑒頻鑒相器檢測電荷泵鎖相環輸入VIN與輸出VOUT之間的相位差和頻率差產生相應的控制信號VUP和VDOWN．這兩個電壓信號作為后級的電荷泵的控制輸入信號，電荷泵將兩個誤差信號VUP和VDOWN進行處理得到輸出信號VCHA，輸出信號VCHA在經過環路濾波器后得到一個直流電壓信號VCONT，VCONT作為壓控振蕩器的控制信號，控制壓控振蕩器的工作．由于壓控振蕩器的輸出信號VOP的頻率較高，需要引入分頻器來對其進行分頻，得到一個與微機械陀螺結構的固有頻率在同一量級的壓控振蕩信號．分頻器的輸出就作為整個閉環微機械陀螺結構接口電路的輸出信號反饋給陀螺結構，驅動陀螺結構在其固有頻率下做自激振蕩．當鎖相環處于鎖定狀態時，VCONT為一恒定的電壓值，電荷泵鎖相環的輸入信號VIN與輸出信號VOUT同相，整個陀螺結構工作在自激振蕩狀態．

目前，已能夠實現電荷泵鎖相環VIN與VOUT同相，但需要保證前級的I－V轉換模塊沒有相移．傳統的電荷放大器雖然能夠實現I－V轉換，并且實現極大的增益，但存在缺陷(如圖2)．

圖2 電荷放大器及其相位誤差仿真分析

電荷放大器在實現I－V轉換時存在相位誤差，這是由于反饋電阻R引入造成的．為了對電荷放大器的反向輸入端進行偏置，必須加入一個大的反饋電阻R，但導致電荷放大器在進行I－V轉換時出現了相移誤差(圖2(b))，并且這個相移誤差隨著陀螺固有頻率變化而變化，在2 kHz下時，這個相位誤差約為10°．

2 低噪聲跨阻放大器的設計

跨阻放大器的結構示意圖如圖 3，由于其只包含一個反饋電阻R來實現I－V轉換，故沒有相移誤差．陀螺結構驅動方向的敏感電流量級典型值為nA級，為了得到能被后級比較器處理的電壓值，前級跨阻放大器要實現非常大的增益;而跨阻放大器的增益就是其反饋電阻的大小，故而跨阻放大器反饋電阻R就必須做得很大．

圖3 跨阻放大器結構示意圖［5］

傳統方法用N阱電阻或者多晶硅電阻等方法來做電阻，這種方法實現的電阻都屬于無源電阻．無源電阻容易實現，但存在如下缺陷:第一，無源電阻實現幾百kΩ的大電阻會占用極大的芯片面積，給集成化和芯片成本的降低帶來了極大的難度;第二，無源電阻實現電阻一般會有20%的誤差;第三，無源電阻阻值越大，其產生的噪聲越大，因為無源電阻產生的噪聲為熱噪聲，其值與無源電阻的阻值成正比［6］．

基于上面的分析，采用CCCII+的電流模技術來實現一個大阻值的有源電阻．其實現有源電阻的結構示意圖如圖4所示．

圖4 基于CCCII+技術的有源電阻結構示意圖

圖4中，在理想情況下，節點Y和節點Z的輸入電阻無窮大，這兩個節點的輸入電流為零．從節點Y到節點X，其工作類似于一個電壓跟隨器［7－10］，即節點X電壓跟隨節點Y電壓的變化．同時，當從節點X向節點Z看去時，其工作類似于一個電流鏡，即i(Z)=i(X)．基于以上分析，可以計算圖4有源電阻的阻值為

從式(1)可以看到，只要將可調參數n做得很大，就可以得到一個大的有源電阻．該有源電阻具體實現的MOS管級電路如圖5所示．

圖5 有源電阻的MOS管級電路結構

圖6為跨阻放大器實現的具體MOS管電路，跨阻放大器的跨阻采用有源電阻來實現，跨阻放大器自身是一個具有高增益的放大器，采用電流偏置的方法，右側為一個二級放大器，左側部分為放大器的偏置、startup電路和bias電路，為了提高放大器的增益，輸出級采用了cascode的形式．

圖6 跨阻放大器結構示意圖

3 電路仿真結果分析

采用Hspice軟件仿真微機械陀螺閉環接口電路．對于電阻放大器，有源電阻采用CCCII+的電流模技術來實現．其供電電壓為±3.3 V，偏置電流為50 μA，該有源電阻的阻值受控于電阻RL，如圖7(a)所示．由圖7(b)發現該有源電阻幾乎在整個電源電壓范圍內保持線性，基本上可以保證該阻值在rail－to－rail范圍內是恒定不變的．

圖7 有源電阻仿真結果分析

仿真發現，得到了一個阻值為250 kΩ的有源電阻，由于電路中引入了高頻載波，在該頻率下所設計的有源電阻的噪聲為37.502aV2/Hz=0.037fV2/Hz．同樣阻值的無緣電阻的熱噪聲為:

由式(2)可知，無源電阻的熱噪聲遠大于所設計的有源電阻的噪聲．故而有源電阻極大地降低了電路的噪聲，并且實現了沒有相移的I－V轉換．

4 結論

1)為了將微機械陀螺結構引入到整體電路的仿真中，建立了與其等價的電學模型．

2)仿真發現，微機械陀螺結構的固有頻率約為2.7 kHz，并且其在驅動方向位移的相位滯后于驅動力的相位90°．

3)基于電荷泵鎖相環技術的陀螺閉環接口電路用跨阻放大器代替電荷放大器實現I－V轉換，有效避免了由電荷放大器所產生的隨陀螺固有頻率頻率變化的相移誤差．

4)采用CCCII+的電流模技術實現有源電阻代替無源電阻，大大降低了電路的噪聲，整個陀螺接口電路在陀螺固有頻率下實現了自激振蕩．

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New low noise closed-loop driving circuit for the micro-gyroscope

SUN Ming1，TAN Xiao-yun1，LI Zi-peng1，LIU Xiao-wei1，2

(1．MEMS Centre，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China，fuxinmingming@126．com;2．Key Laboratory of Micro-Systems and Micro-Structures Manufacturing，Ministry of Education，150001 Harbin，China)

To bring the fabric of the micro-gyroscope into simulation of total closed-loop system，the equivalent electrical analogue of drive part of the micro-gyroscope is built．The new low noise closed-loop driving circuit is based on the phase-locked technology using the transimpedance amplifier to realize I-V transformation which effectively avoids phase error caused by the charge amplifier．By using the CCCII+technology to realize the floating resistor，the noise of the total closed-loop driving circuit is reduced．In simulation，the natural frequency of the micro-gyroscope is 2.7 kHz．The displacement in the drive direction of the micro-gyroscope has 90°phase leg comparing to the driving force in the drive direction．The value of floating resistor is 250 kΩ where the bias current is 50 μA．The active resistor is 0.037 fV2/Hz．The micro-gyroscope is vibrated at its natural frequency．

closed-loop;micro-gyroscope;CCCII+

TN432

A

0367－6234(2011)09－0038－04

2010－03－18．

國家高技術研究發展計劃資助項目(2008AA042201)．

孫 明(1985—)，男，碩士研究生;

劉曉為(1955—)，男，教授，博士生導師．

(編輯 楊 波)