Résumé: Afin d'atteindre le système d'accéléromètre micromécanique de précision élevée et stable sur la base de la capacité de faire en sorte que la mise en forme de bruit du système, le système proposé pour une quantification de l'accéléromètre de précision à plusieurs bits. En appliquant un circuit de linéarisation de rétroaction de force électrostatique, un quatre-commande, plusieurs bits de quantification Structure accéléromètre micromécanique. Le système de l'accéléromètre est un bruit inférieur à la moyenne de l'eau -120 dB / Hz, la sensibilité de 0,63 V / g, l'accélération de bruit d'entrée équivalent d'environ 4 ug / Hz. Accéléromètre plage limitée par la tension d'alimentation et la sensibilité du système est d'environ ± 3 g.
TN492
A
10,16157 / j.issn.0258-7998.173191
format de citation chinois: Wangbao Sheng, Zhao Gangbin Une accéléromètres la précision du système de quantification Technologie électronique, 2018,44 (4): 37-39.
Anglais format de citation: Wang Baosheng, Zhao Gangbin. Conception d'un système de microaccéléromètre de haute précision quantification multi-bits . Application de la technique électronique, 2018,44 (4): 37-39.
0 introduction
capacitif haute performance accéléromètre micro-usiné a été largement utilisé dans le domaine de la navigation inertielle, le positionnement GPS, l'exploration pétrolière. Haute précision sigma-delta () Système accéléromètre, la précision mécanique peut être fait déjà l'en-tête 2 ug ou moins, le rendement du système est souvent soumis à l'étape suivante du circuit d'interface . Afin d'améliorer la précision de l'étape suivante du circuit d'interface, quantification tend bruit à supprimer en améliorant l'ordre du système, par exemple, le document fait état d'un accéléromètre système cinq de commande, un troisième ordre à travers la structure en cascade dans le second ordre sensible modulateur pour obtenir un bruit de quantification d'ordre élevé de mise en forme. Document décrit également un système d'ordre élevé en boucle fermée, la capacité d'améliorer la mise en forme de bruit global par introduction d'un intégrateur à plusieurs étages. Cependant, les systèmes haut de gamme apporteront des problèmes de stabilité, le système conçu pour apporter aucune petite difficulté. Le bruit Méthode de conception Afin d'assurer le système de résolution des problèmes de stabilité basée sur la capacité de mise en forme du bruit, une grande précision peut apprendre les étapes d'intégrateur de modulateur pour réduire le nombre de quantification par un certain nombre de méthodes, de sorte que le système peut assurer shaping capacité, mais aussi réduire le risque de la stabilité du système.
Bien que le nombre de techniques de quantification peut améliorer la capacité de mise en forme, d'améliorer la linéarité du circuit d'interface de l'étape suivante, mais la linéarité de la rétroaction de force électrostatique structures sensibles hautes exigences. Il est nécessaire de forcer la linéarisation de rétroaction du système d'alimentation, afin d'assurer des techniques de quantification multi-bits peuvent être appliqués avec succès à des systèmes non linéaires de l'accéléromètre micromécanique. Dans cet article, un circuit de linéarisation de rétroaction de force électrostatique, propose un quatre-commande, plusieurs bits de quantification système accéléromètre micromécanique, ce qui réduit les exigences relatives à la stabilité de la conception du système, mais aussi d'améliorer la linéarité du système.
1 Conception du système
La figure 1 est un système accéléromètre quantificateur micromécanique multi-bit proposé, dans lequel Kx / V micromécanique accéléromètre déplacement de la masse étalon structure sensible à la tension de gain, KV / a est un facteur de contre-réaction de la force électrostatique, et analogue à une tension de contre-réaction facteur de gain de rétroaction d'accélération effective, a1, a2, et a3 sont des facteurs à action directe, fb est le facteur de rétroaction locale, k1 et k2 est le gain de l'intégrateur facteur d'échelle. Afin d'améliorer la stabilité du système, l'introduction d'un pour fournir une compensation de phase de post-HC de compensateur de phase (z). Après avoir déterminé les coefficients système de simulation Simulink a1, a2, a3 sont 0.7,0.2,0.1, k1 est 1/5, k2 est 1/4, fb est de 0,2, le compensateur de phase de post-compensation facteur est de 0,8.
Figure Kx / V et KV 1 / a peut être exprimé comme:
Cf la formule ci-dessus pour la précharge l'amplificateur de condensateur d'intégration, la structure de d0 lacunes en peigne de détection sensibles, C0 est une capacité de statique structure sensible, Vr est la tension de référence (généralement à la moitié de la tension d'alimentation), m est la masse de la masse, Vfb est tension de rétroaction.
2 la mise en oeuvre du circuit
La figure 2 est un circuit amplificateur de charge différentiel d'étage avant, comprenant une partie sensible et un échantillon à plus grande échelle et un circuit de maintien, une référence de capacité CR et CS éléments sensibles à la capacité équivalente forment une structure équilibrée en pont complet, la valeur de capacité équivalente de 20 pF. Sensible condensateur d'intégration est une partie agrandie 10 pF, un plus petit gain de boucle condensateur de l'intégrateur peut être augmentée, ce qui réduit le bruit d'entrée équivalent, mais réduit la stabilité de la boucle. Etant donné que l'accélération résultant du déplacement de la masse provoquée par le changement de charge, amplifié par la section d'amplificateur de lecture, et en corrélation circuit d'échantillonnage double peut être éliminé, et l'amplificateur basse fréquence du bruit de décalage . amplificateur sensible partie élargie est une seule étape de configuration cascode plié entièrement différentiel, le circuit est simple, facile à mettre en oeuvre. Ampli op DC gain de 75 dB, la bande passante de 15 MHz. réaction de mode commun commuté structure de condensateur, ce qui réduit la consommation d'énergie du système. Après intégrateur étape ampli op est également une structure similaire, mais étant donné que la capacité de charge est faible, il est possible de réduire la consommation d'énergie de l'amplificateur.
Après un certain nombre d'étapes de quantification et un circuit de réaction représenté sur la figure 3. 3 (a) un premier condensateur d'échantillonnage intégrateur de phase est 1 pF, le condensateur d'intégration est de 5 pF, le second condensateur d'échantillonnage intégrateur de phase mis à l'échelle de 0,5 pF, le condensateur d'intégration est de 2 pF, ce qui peut réduire la charge de l'amplificateur. Dans lequel la figure dans le cas où la même bande passante peut réduire efficacement la consommation d'énergie de l'amplificateur. Compensateur de phase de structure de filtre passif document est insensible à la consommation d'énergie parasite est relativement faible. Le premier commutateur de trajet de rétroaction d'intégrateur de phase kN, KP par la moyenne pondérée de la DWA de données (calcul de la moyenne pondérée des données) Module de commande de sortie. AHC techniques décrites ici sont mises en uvre en utilisant chaque cycle de rétroaction par l'intermédiaire des moyens de rétroaction capacitif électrostatique, le nombre moyen des mêmes principes à sélectionner, et donc le processus de conversion de rétroaction erreur de non-linéarité est une première commande en forme de . technique DWA peut réduire efficacement l'erreur causée par des problèmes de processus non linéaires causés par décalage de condensateur, d'améliorer les performances du système. Possibilité de réduire le nombre de quantification du bruit de quantification, sans employer une structure de mise en forme de bruit d'ordre supérieur, ce qui réduit la stabilité. Cependant, les accéléromètres micro-usinés sont des systèmes non linéaires, étant donné que la force électrostatique est une fonction non linéaire de la rétroaction de séparation de plaque de structure micromécanique. Par conséquent, afin peut être utilisé efficacement dans la technique système d'accéléromètre micromécanique quantification multi-bits, l'application des techniques de linéarisation de rétroaction de puissance statique, en utilisant la configuration de circuit de. La figure 3 (b) et 3 (c), ce qui augmente également dans une certaine mesure, la complexité et la consommation électrique du système. . La figure (B), la figure 3 (c) 3 équivalents force de rétroaction électrostatique par le traitement passe à une fonction linéaire avec le déplacement de la masse indépendante.:
3 résultats
Les processus standard puce accéléromètre circuit prototype d'interface CMOS 0,35 um enregistrées, comme représenté sur la Fig. taille de la puce de l'ordre de 3,5 mm x 4 mm, la tension d'alimentation de 5 V, l'utilisation de silice-alumine fibre et la puce connectée structure mécano-sensible, évite l'influence des lignes de connexion en métal conduit à une grande capacité parasite provoquée. Afin d'atteindre une largeur de bande de signal de plus, la fréquence d'échantillonnage du système est conçu pour 300 kHz, la consommation globale d'énergie de la puce 25 mW, principalement axée sur l'amplificateur de puissance de pré-charge, un circuit intégrateur et un circuit de quantification multi-bits.
Pour tester la performance dynamique du système, en utilisant le principe de l'auto-test, l'entrée 148,8 Hz signal sinusoïdal à faible distorsion à la borne de rétroaction à l'extérieur du signal d'accélération analogique. sortie analyseur logique Système d'acquisition de signal de flux binaire, 262.144 points en résultats MATLAB FFT sont présentés sur la Fig. Comme on peut le voir à partir du spectrogramme le plancher de bruit du système est inférieure à la moyenne de l'eau -120 dB / Hz, la sensibilité du système conforme à 0,63 V / g, l'accélération de bruit d'entrée équivalent calculé d'environ 4 ug / Hz. Limitée par la tension d'alimentation et la sensibilité du système, la portée du système est d'environ ± 3 g. Comme on peut le voir dans le spectre de la figure. 5, la deuxième sortie harmonique du système de quantification est grande, atteignant -97,46 dB, et les trois petits harmoniques, presque immergé dans le plancher de bruit. On peut voir, l'utilisation de la quantification et la technique de linéarisation retour de force électrostatique non linéaire multi-bits réduit considérablement le système, améliorant ainsi la performance globale. La sortie de la seconde harmonique plus importante peut être due à une mauvaise symétrie de l'agencement et la structure du circuit d'équilibrage de pont complet de capteur mécanique il existe un décalage causé.
4 Conclusion
Cette conception d'un quatre ordre, multibit quantification microusinée circuit d'interface accéléromètre, le circuit d'ensemble à travers une expérience de feuille de flux. La consommation totale de puissance de 25 mW, l'accélération de bruit d'entrée équivalent à environ 4 ug / Hz, plage d'environ ± 3 g. Et quantification multi-niveaux en utilisant la technique de linéarisation de retour de force électrostatique pour réduire le système non linéaire, d'améliorer la performance globale de l'accéléromètre micro-usiné. A partir des résultats des tests, une meilleure performance peut encore être améliorée en adaptant la symétrie de la mise en page et le circuit de pont complet est équilibré.
références
YUCETAS M, J Salomaa, Kalanti A, et al.A en boucle fermée interface SC à un accéléromètre de 1,4 ug à 0,33% non-linéarité et 2 ug densité de bruit d'entrée .IEEE Conférence internationale sur les circuits semi-étatiques Recueil de documents techniques (ISSCC), San Francisco, États-Unis, 2010: 320-321.
AMINI B V, ABDOLVAND R, Ayazi F.Un 4,5 mW micro-gravité en boucle fermée accéléromètre CMOS SOI .IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006,41 (12): 2983-2991.
Lajevardi P, PETKOV V P, l'interface Mürmann B.Un pour accéléromètres MEMS utilisant la modulation de constante de rappel électrostatique pour l'annulation de fil de liaison capacité dérive .IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013,48 (1): 265-275.
YE Z, YANG H, YIN T, et al.High performances circuit d'interface en boucle fermée pour capacitif haute-Q microaccele-rometers Capteurs .IEEE Journal, 2013,13 (5): 1425-1433.
AALTONEN L, HALONEN l'interface K.Continuous-temps pour un accéléromètre micro-usiné capacitif avec NEA de 4 ug et une bande passante de 300 Hz .Sensors Actuators A: Phys, 2009,154 (1) :. 46-56.
BADER A, MICHAEL K.Multi étape Noise Shaping modulateur sigma-delta (MASH) pour accéléromètres MEMS capacitif .Sensors et Actionneurs A: physique, 2012.186: 169-177.
XU H L, X LIU W, YIN L.Un en boucle fermée interface pour un accéléromètre capacitif micromécanique à Q élevé avec 200 ng / Hz densité de bruit d'entrée .IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2015,50 (9): 2101-2112.
ZWAHLEN P, Y DONG, NGUYEN A M, et al.Breakthrough à haute performance de qualité de navigation inertielle accéléromètre MEMS sigma-delta Position .IEEE Lieu et Symposium de navigation (plans), Myrtle Beach, Caroline du Sud, États-Unis, 2012: 15-19.
S S TAN, LIU C Y, L YEH K.An circuit intégré à faible bruit de détection avec une stabilisation de polarisation efficace pour accéléromètres capacitifs CMOS MEMS .IEEE Trans.Circuits Syst.I: Reg.Papers, 2011,58 (11): 2661-2672.
PETKOV V P, B Böser E.Un quatrième ordre interface pour capteurs inertiels micro-usinés .IEEE Circuits J.Solid-État, 2005,40 (8): 1602-1609.
NYS O J A P, l'analyse HENDERSON R K.An des techniques d'appariement d'éléments dynamiques à modulation sigma-delta .Proceedings IEEE Symposium international sur les circuits et Systems.2012: 231-234.
Informations sur l'auteur:
Wang Baosheng, Zhao Gangbin
(Nanyang Institut d'informatique et de génie de l'information, Nanyang, Henan 473000)
