Çok basamaklı nicemleme yüksek hassasiyetli ivme ölçer sisteminin tasarımı
Özet: Sistemin gürültü şekillendirme kabiliyetini sağlamaya dayalı olarak kararlı bir yüksek hassasiyetli mikromekanik ivmeölçer sistemi gerçekleştirmek için, çok basamaklı nicelleştirilmiş yüksek hassasiyetli bir ivmeölçer sistemi önerilmiştir. Elektrostatik kuvvet geri besleme doğrusallaştırma devresini uygulayarak, dördüncü dereceden çok basamaklı nicemleme mikro-mekanik ivmeölçer yapısı gerçekleştirilir. İvmeölçer sistemi gürültü seviyesi -120 dB / Hz'den düşük, hassasiyet 0,63 V / g ve eşdeğer giriş hızlanma gürültüsü yaklaşık 4 g / Hz'dir. İvmeölçer sistem aralığı, güç kaynağı voltajı ve sistem hassasiyeti, yaklaşık ± 3 g ile sınırlıdır.
TN492
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.173191
Çince alıntı biçimi: Wang Baosheng, Zhao Gangbin.Çok basamaklı nicemleme yüksek hassasiyetli ivmeölçer sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (4): 37-39.
İngilizce alıntı biçimi: Wang Baosheng, Zhao Gangbin.Çok bitli nicemleme yüksek hassasiyetli mikro ivmeölçer sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (4): 37-39.
0 Önsöz
Yüksek performanslı, kapasitif mikro makineyle işlenmiş ivmeölçerler, atalet navigasyonu, GPS konumlandırma ve petrol arama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek hassasiyetli sigma-delta () ivmeölçer sisteminde, mekanik sayaç kafasının doğruluğu 2 g'den daha az olabilir ve sistemin performansı genellikle sonraki arayüz devresi tarafından kısıtlanır. Takip eden arayüz devresinin doğruluğunu iyileştirmek için, niceleme gürültüsü genellikle sistemin sırasını artırarak bastırılır Örneğin, literatürde beşinci dereceden bir p ivmeölçer sistemi rapor edilmiştir, üçüncü dereceden bir modülatör ikinci dereceden hassas yapıdan sonra kademeli hale getirilir. Niceleme gürültüsünün yüksek sıralı biçimlendirmesini gerçekleştirin. Literatür ayrıca, çok aşamalı bir entegratör sunarak genel gürültü şekillendirme yeteneğini geliştiren yüksek sıralı bir kapalı döngü sistemi sunar. Bununla birlikte, üst düzey sistemler kararlılık sorunları getirecek ve sistem tasarımına büyük zorluklar getirecektir. Gürültü şekillendirme kabiliyetinin sağlanması temelinde sistemin kararlılık problemini çözmek için, yüksek hassasiyetli modülatör tasarım yöntemi referans olarak kullanılabilir ve sistemin gürültüsünü sağlamak için çok bitli nicemleme yöntemi ile son entegratör sayısı azaltılabilir. Şekillendirme yeteneği, sistemin kararlılık riskini azaltabilir.
Çok bitli niceleme teknolojisi, sonraki arayüz devresinin şekillendirme yeteneğini ve doğrusallığını geliştirebilmesine rağmen, aynı zamanda hassas yapının elektrostatik kuvvet geri beslemesinin doğrusallığı için yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır. Bu nedenle, çok basamaklı kuantizasyon teknolojisinin doğrusal olmayan mikromekanik ivmeölçer sistemine başarıyla uygulanabilmesini sağlamak için sistemin elektrostatik kuvvet geri bildirimini doğrusallaştırmak gerekir. Bu makalede, bir elektrostatik kuvvet geri besleme doğrusallaştırma devresi kullanılmış ve sistem tasarımı sırasında kararlılık gereksinimlerini azaltan ve sistemin doğrusallığını iyileştiren dördüncü dereceden çok basamaklı nicelleştirilmiş mikro mekanik ivmeölçer sistemi önerilmiştir.
1 Sistem tasarımı
Şekil 1, bu yazıda önerilen çok basamaklı nicelleştirilmiş bir mikro mekanik ivmeölçer sistemidir; burada Kx / V, mikro mekanik ivmeölçerin hassas yapısal kütlesinin yer değiştirmesinden voltaja kazançtır ve KV / a, geri besleme voltajının eşit olduğunu gösteren elektrostatik kuvvet geri besleme faktörüdür. Etkili geribildirim hızlandırma kazanç faktörü, a1, a2 ve a3 ileri besleme faktörleri, fb yerel geribildirim faktörü, k1 ve k2, entegratör kazanç ölçeklendirme faktörleridir. Sistem kararlılığını iyileştirmek için, faz telafisi sağlamak için bir faz sonrası kompansatör HC (z) tanıtıldı. Simulink simülasyonundan sonra, sistem katsayıları a1, a2 ve a3 sırasıyla 0.7, 0.2, 0.1, k11/5, k21/4, fb 0.2 ve faz sonrası kompansatör kompanzasyon faktörü 0.8'dir.
Şekil 1'deki Kx / V ve KV / a şu şekilde ifade edilebilir:
Yukarıdaki formülde, Cf, ön kademe şarj yükselticisinin entegrasyon kapasitansıdır, d0 hassas yapının algılama tarağı diş aralığıdır, C0 hassas yapının statik kapasitansıdır, Vr referans voltajıdır (genellikle güç kaynağı voltajının yarısıdır), m kütlenin kütlesidir ve Vfb Geri besleme voltajı.
2 Devre gerçekleştirme
Şekil 2, hassas yükseltici parça ve örnekle-ve-tut devresi dahil olmak üzere diferansiyel yük yükselticisinin ön aşama devresidir Hassas elemanın referans kapasitör CR ve eşdeğer kapasitans CS, eşdeğer kapasitans 20 pF olan tam köprülü dengeli bir yapı oluşturur. Hassas yükseltici parçanın integral kapasitansı 10 pF'dir Daha küçük bir integral kapasitans döngü kazancını artırabilir ve eşdeğer giriş gürültüsünü azaltabilir, ancak döngü kararlılığını azaltacaktır. İvmenin neden olduğu kütle bloğunun yer değiştirmesi, hassas amplifikatör kısmı tarafından yükseltilen yük değişikliğine neden olur ve ilişkili çift örnekleme devresi, düşük frekanslı gürültüyü ve işlemsel amplifikatör ofsetini ortadan kaldırabilir. Hassas amplifikatör parçasının işlemsel amplifikatörü, tamamen diferansiyel, tek aşamalı katlanmış bir kas kod yapısıdır, devre basit ve uygulanması kolaydır. Op amp 75 dB'lik bir DC kazancına ve 15 MHz'lik bir bant genişliğine sahiptir. Ortak mod geri beslemesi, sistemin güç tüketimini azaltmak için anahtarlamalı bir kapasitör yapısı kullanır. İkinci entegratör de benzer bir işlemsel amplifikatör yapısı kullanır, ancak yük kapasitesi küçüldüğünden, işlemsel amplifikatörün güç tüketimi azaltılabilir.
Aşama sonrası çok bitli nicemleme ve geri besleme devresi Şekil 3'te gösterilmektedir. Şekil 3 (a) 'da, birinci aşama entegratörün örnekleme kapasitansı 1 pF ve entegrasyon kapasitansı 5 pF'dir.İkinci aşama entegratörün örnekleme kapasitansı 0,5 pF'ye ölçeklenir ve entegrasyon kapasitansı 2 pF'dir, bu da op amp yükünü azaltabilir. Op amp'in güç tüketimini aynı bant genişliği altında etkili bir şekilde azaltabilir. Faz dengeleyici literatürdeki pasif filtre yapısını benimser, parazitlere karşı duyarsızdır ve güç tüketimi nispeten düşüktür. Birinci aşama entegratörün geri besleme yolu anahtarları kN ve KP, Veri Ağırlıklı Ortalama Alma (DWA) modülünün çıkışı tarafından kontrol edilir. Bu makaledeki DWA teknolojisi, her bir geri besleme kapasitörünün aynı ortalama sayısının seçilmesi için elektrostatik kuvvet geri besleme birimlerinin döngüsel olarak seçilmesi prensibini kullanır ve ardından geri besleme dönüşüm sürecindeki doğrusal olmayan hata ilk sıraya konur. DWA teknolojisi, işlem hatasından kaynaklanan kapasite uyumsuzluğunun neden olduğu doğrusal olmayan sorunu etkili bir şekilde azaltabilir ve sistemin performansını artırabilir. Çok bitli nicemleme, niceleme gürültüsünü azaltabilir, bu nedenle kararlılık sorunlarını azaltmak için daha yüksek düzeyde bir gürültü şekillendirme yapısının benimsenmesine gerek yoktur. Ancak mikromekanik ivmeölçer doğrusal olmayan bir sistemdir, çünkü elektrostatik geri besleme kuvveti, mikromekanik yapıdaki plakalar arasındaki mesafenin doğrusal olmayan bir fonksiyonudur. Bu nedenle mikromekanik ivmeölçer sisteminde çok basamaklı nicemleme teknolojisini etkin bir şekilde kullanmak ve elektrostatik kuvvet geri beslemeli doğrusallaştırma teknolojisini uygulamak için Şekil 3 (b) ve Şekil 3 (c) 'deki devre yapısı da bir ölçüde artırılmış olarak kullanılmaktadır. Bu, sistemin karmaşıklığını ve güç tüketimini iyileştirir. Şekil 3 (b) ve Şekil 3 (c) 'de işlendikten sonra eşdeğer elektrostatik geri besleme kuvveti, kütlenin yer değiştirmesinden bağımsız olarak doğrusal bir fonksiyon haline gelir:
3 Deneysel sonuçlar
İvmeölçer arayüz devresinin prototip çipi, Şekil 4'te gösterildiği gibi bant çıkışı doğrulaması için 0,35 m standart CMOS sürecini benimser. Yonga boyutu yaklaşık 3,5 mm × 4 mm'dir 5 V ile güçlendirilmiştir ve mekanik olarak hassas yapıları ve yongaları bağlamak için silikon alüminyum teller kullanır, metal bağlantı tellerinin neden olduğu büyük parazitik kapasitansın etkisinden kaçınır. Daha büyük bir sinyal bant genişliği elde etmek için, sistem örnekleme frekansı 300 kHz olacak şekilde tasarlanmıştır ve çipin toplam güç tüketimi 25 mW'dir.Ana güç tüketimi, ön şarj amplifikatörü, entegratör devresi ve çok bitli niceleme devresinde yoğunlaşmıştır.
Sistemin dinamik performansını test etmek için, kendi kendini algılama ilkesi benimsenir ve geri besleme ucunda harici hızlanma sinyalini simüle etmek için 148,8 Hz düşük distorsiyonlu dizi sinyali girilir. Sistemin bit akım çıkış sinyalini toplamak için mantık analizörü kullanılarak MATLAB'de 262144 noktanın FFT sonucu Şekil 5'te gösterilmektedir. Spektrogramdan sistem gürültü tabanının ortalama değerinin -120 dB / Hz'den düşük olduğu görülebilmektedir 0.63 V / g sistem hassasiyetine göre eşdeğer giriş ivme gürültüsü yaklaşık 4 g / Hz olarak hesaplanmaktadır. Güç kaynağı voltajı ve sistem hassasiyeti ile sınırlanan bu sistemin aralığı yaklaşık ± 3 g'dır. Şekil 5'teki frekans spektrumundan, sistemin nicelenmiş çıkışının ikinci harmoniğinin daha büyük olduğu, -97.46 dB'ye ulaştığı, üçüncü harmoniğin ise daha küçük olduğu, neredeyse gürültü tabanına battığı görülebilir. Çok bitli nicemleme ve elektrostatik geri besleme kuvveti doğrusallaştırma teknolojisinin kullanımından sonra sistemin doğrusal olmayışının büyük ölçüde azaldığı ve bu da genel performansı artırdığı görülebilir. Çıkış sonucundaki daha büyük ikinci harmonik, yerleşimin zayıf simetrisinden ve sensör mekanik yapısındaki tam köprü denge devresinin uyumsuzluğundan kaynaklanıyor olabilir.
4. Sonuç
Bu yazıda, dördüncü dereceden çok basamaklı nicemleme mikromekanik ivmeölçer arabirim devresi tasarlanmış ve tüm devre teyp deneyleri ile doğrulanmıştır. Genel güç tüketimi 25 mW, eşdeğer giriş hızlanma gürültüsü yaklaşık 4 g / Hz ve aralık yaklaşık ± 3 g'dır. Çok basamaklı nicemleme ve elektrostatik geri besleme kuvveti doğrusallaştırma teknolojisinin kullanılması, sistemin doğrusal olmama durumunu azaltır ve mikromekanik ivmeölçerin genel performansını iyileştirir. Test sonuçlarından, düzen simetrisi ve tam köprü dengeli devresinin eşleşmesi iyileştirilerek performans daha da iyileştirilebilir.
Referanslar
YUCETAS M, SALOMAA J, KALANTI A, et al.% 0,33 doğrusal olmama ve 2 g giriş gürültü yoğunluğuna sahip 1,4 g ivmeölçer için kapalı döngü SC arabirimi. IEEE Uluslararası Katı Hal Devreleri Konferansı Teknik Raporların Özeti (ISSCC), San Francisco, ABD, 2010: 320-321.
AMINI B V, ABDOLVAND R, AYAZI F.A 4,5 mW kapalı döngü mikro-yerçekimi CMOS SOI ivmeölçer.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006, 41 (12): 2983-2991.
LAJEVARDI P, PETKOV V P, MURMANN B. Bondwire kapasitans kaymasının iptali için elektrostatik yay sabit modülasyonu kullanan MEMS ivmeölçerler için bir arayüz.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013, 48 (1): 265-275.
YE Z, YANG H, YIN T, ve diğerleri.Yüksek Q kapasitif mikroasel-rometreler için yüksek performanslı kapalı döngü arayüz devresi.IEEE Sensors Journal, 2013, 13 (5): 1425-1433.
AALTONEN L, HALONEN K. NEA 4 g ve bant genişliği 300 Hz olan mikro işlenmiş kapasitif ivmeölçer için sürekli zaman arayüzü. Sensörler Aktüatörler A: Phys., 2009, 154 (1): 46-56.
BADER A, MICHAEL K. Kapasitif MEMS ivmeölçerler için çok aşamalı gürültü şekillendirme sigma-delta modülatörü (MASH) Sensörler ve Aktüatörler A: Physical, 2012, 186: 169-177.
XU H L, LIU X W, YIN L. 200 ng / Hz giriş gürültü yoğunluğuna sahip yüksek Q mikromekanik kapasitif ivmeölçer için kapalı döngü arabirimi. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2015, 50 (9): 2101-2112.
ZWAHLEN P, DONG Y, NGUYEN A M, ve diğerleri.Yüksek performanslı ataletsel seyrüsefer dereceli sigma-delta MEMS ivmeölçerde devrim. IEEE Konum Konum ve Navigasyon Sempozyumu (PLANS), Myrtle Beach, SC, ABD, 2012: 15-19.
TAN S S, LIU C Y, YEH L K. CMOS MEMS kapasitif ivmeölçerler için verimli önyargı stabilizasyonuna sahip entegre düşük gürültülü algılama devresi.IEEE Trans.Circuits Syst.I: Reg.Papers, 2011, 58 (11): 2661-2672.
PETKOV V P, BOSER B E. Mikro işlenmiş atalet sensörleri için dördüncü derece arabirim IEEE J. Solid-State Circuits, 2005, 40 (8): 16021609.
NYS O J AP, HENDERSON R K. Sigma-delta modülasyonunda dinamik eleman eşleştirme tekniklerinin bir analizi Proceedings IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 2012: 231-234.
yazar bilgileri:
Wang Baosheng, Zhao Gangbin
(Bilgisayar ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Nanyang Teknoloji Enstitüsü, Nanyang, Henan 473000)
