《電子技術(shù)應用》
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一種高Q值高階ΣΔ加速度計接口電路
2014年電子技術(shù)應用第12期
都文和1，2，盛大鵬1，王 婷1
(1.齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161000； 2.哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱150090)
摘要： 由于具有較低的機械熱噪聲，高Q值加速度計在高精度低噪聲信號檢測領(lǐng)域應用廣泛。在過采樣率相對不高的情況下，針對低階結(jié)構(gòu)的高Q值加速度計接口電路性能受限于量化噪聲的問題，提出了一種高階結(jié)構(gòu)的高Q值閉環(huán)ΣΔ加速度計接口電路，大大降低了數(shù)字接口電路基帶內(nèi)的量化噪聲。為了保證該高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計了一種前置補償器電路來提高電學阻尼。測試結(jié)果表明，該高Q值高階結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定，相對于二階結(jié)構(gòu)而言對量化噪聲的抑制能力大大提高。
關(guān)鍵詞： 高Q值 高階 加速度計 Σ-Δ
中圖分類號： TN79
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)12-0053-03
A high-Q high-order ΣΔ accelerometer interface circuit
Dou Wenhe12，Sheng Dapeng1，Wang Ting1
1.School of Communication and Electronic Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161000，China；2.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China
Abstract： Because of lower mechanical thermal noise, the high-Q accelerometer is widely applied in the fields of high-precision low-noise signal detection. The performance of the low-order high-Q accelerometer interface circuit is limited by the quantization noise at a relatively low oversampling rate(OSR). To solve this problem, a high-order high-Q closed-loop sigma-delta(Σ-Δ) accelerometer interface circuit is proposed, which greatly decreases the quantization noise in baseband of the digital interface circuit. In order to guarantee the stability of the high-order system, a lead compensator circuit is designed to improve the electrical damping. The test results show that the high-order system with high-Q sensor element is stable, and the suppression ability to quantization noise is greatly improved compared with a second-order accelerometer.
Key words : high-Q；high-order；accelerometer；Σ-Δ

0 引言

　　因為Sigma-delta（Σ-Δ）MEMS微機械加速度計具有尺寸小、功耗低、可靠性高等特點，在國防軍事領(lǐng)域和民用市場都得到了廣泛的應用[1]。高性能的加速度計一般采用高品質(zhì)因數(shù)（Q）的傳感器結(jié)構(gòu)，在真空環(huán)境下具有較低的機械熱噪聲，靈敏度也較高，然而高Q值的加速度計具有不穩(wěn)定、響應時間長等特點。對低階結(jié)構(gòu)的高Q值加速計系統(tǒng)進行PID電學補償能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是在過采樣率不高的情況下，低階結(jié)構(gòu)的高Q值加速度計接口電路性能往往受低頻量化噪聲限制，難以滿足應用需求[2-3]。提高過采樣率能夠一定程度上降低基帶內(nèi)的量化噪聲對系統(tǒng)性能的影響，然而這對運放的帶寬提出了更高的要求，使得系統(tǒng)的功耗大大增加[4]。針對這一問題，本文設(shè)計了一種高階結(jié)構(gòu)的高Q值閉環(huán)Σ-Δ加速度計接口電路，大大降低了數(shù)字接口電路基帶內(nèi)的量化噪聲。為了保證該高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計了一種前置補償器電路來提高電學阻尼，完成了PCB板級的開關(guān)電容（SC）電路。測試結(jié)果表明，設(shè)計的閉環(huán)高階加速度計不僅系統(tǒng)穩(wěn)定，而且大大降低了基帶內(nèi)的量化噪聲。

　　1 ΣΔ加速度計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　微機械加速度計由敏感質(zhì)量塊m借助于彈性元件附于固定支架上，其力學模型如圖1所示。

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　　當外加力施加到質(zhì)量塊上時，質(zhì)量塊受到了彈性力與阻尼力，其幅值分別與質(zhì)量塊的位移、速度成正比，且與系統(tǒng)外力反向。由此可得加速度a(t)作為輸入變量、質(zhì)量相對殼體位移x(t)作為輸出變量的傳遞函數(shù)為：

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　　高Q值加速度計敏感結(jié)構(gòu)處于欠阻尼狀態(tài)，不加任何補償?shù)拈]環(huán)二階系統(tǒng)條件穩(wěn)定[5]。在對高Q值二階系統(tǒng)進行電學補償以后，雖然系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，但也降低了系統(tǒng)的環(huán)路增益，使得系統(tǒng)對低頻噪聲的整形能力下降，影響輸出信號的性能。因此可以在后級增加電學調(diào)制器，提高系統(tǒng)的環(huán)路增益，加強加速度計系統(tǒng)對噪聲的整形能力。為使降低設(shè)計難度的同時獲取較高的性能，選取三階全反饋結(jié)構(gòu)的電學調(diào)制器結(jié)構(gòu)?；谠摳逹值結(jié)構(gòu)的ΣΔ加速度計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示，圖中包含機械結(jié)構(gòu)的連續(xù)時間模型、機械結(jié)構(gòu)的離散時間模型、前級電荷電壓轉(zhuǎn)換線性因子Ka、前置補償器、調(diào)制器、電壓力轉(zhuǎn)換因子Kg等模塊，另外還包括運放噪聲、開關(guān)噪聲等噪聲模塊。高階高Q值的加速度計系統(tǒng)類似于高階的電學調(diào)制器，存在系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，因此需要合理設(shè)計后級電路參數(shù)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。圖3是圖2中的五階高Q值ΣΔ加速度計量化噪聲傳遞函數(shù)QNTF的根軌跡曲線，可以看出該高階系統(tǒng)是條件穩(wěn)定的。當增加輸入信號的幅度使得量化器的增益小于0.545時，QNTF的根軌跡進入單位圓外，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，因此該高階系統(tǒng)有一個輸入信號范圍。

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　　為了進一步驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在MATLAB的Simulink環(huán)境下對該系統(tǒng)進行建模并進行瞬態(tài)仿真。給該加速度計系統(tǒng)施加一個模擬的正弦加速度信號，系統(tǒng)采樣頻率為250 kHz，輸入信號幅度為-7.56 dBFS(1 g)，頻率為61.035 Hz，帶寬為1 kHz。各級積分器的輸出統(tǒng)計圖如圖4所示，可以看出，系統(tǒng)在輸入大信號時各級積分器輸出擺幅較小，系統(tǒng)穩(wěn)定。圖5是其一位量化器輸出的頻譜圖，仿真結(jié)果表明，該加速度計系統(tǒng)低頻噪聲較小，在1 kHz帶寬內(nèi)信噪失真比約為107 dB，能夠達到17 bit的有效精度。

2 閉環(huán)電路設(shè)計

　　本文整個閉環(huán)電路原理圖如圖6所示，將機械結(jié)構(gòu)部分等效成兩個可變電容CS1和CS2。接口電路部分包括低噪聲前級電荷放大器、后級采樣和保持電路、前置相位補償器電路、三階調(diào)制器電路以及一位DAC電路。前級低噪聲電荷放大器和采樣保持電路借鑒參考文獻[6]的設(shè)計原理，采用電容檢測和電壓反饋分時復用的方法來防止反饋信號和檢測信號的互相干擾[7]。這里設(shè)計了一種無源相位補償器電路進行結(jié)構(gòu)的電學補償[8]。

　　圖6中如果選取電容C2=C3=αC1，則相位補償器的傳遞函數(shù)為：

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　　其中，α表示補償器的補償深度，較大的α值能夠給系統(tǒng)提供較大的相位裕度，提高穩(wěn)定性，但同時也犧牲了一定的增益。對于高階系統(tǒng)，前級增益的下降可以通過后級增益進行調(diào)整，因此系統(tǒng)的噪聲整形能力得到保障。三級調(diào)制器電路的采樣電容和反饋電容共用，電路結(jié)構(gòu)簡單，且不會增加熱噪聲和運放的負載。調(diào)制器輸出控制一位DAC反饋的開關(guān)，決定反饋電壓的極性。

　　3 電路測試驗證和分析

　　上述的設(shè)計思路和電路原理圖已經(jīng)通過軟件進行了仿真和驗證，然后設(shè)計PCB來進行實驗驗證。PCB檢測電路是基于高精度低噪聲運放OPA2209和模擬開關(guān)ADG1233進行實驗設(shè)計。時鐘部分由FPGA產(chǎn)生來控制模擬開關(guān)工作。采樣得到的數(shù)字碼流經(jīng)過MATLAB程序進行處理，從頻譜圖中可以看出系統(tǒng)的噪聲特性。為了對比高階結(jié)構(gòu)和低階結(jié)構(gòu)對低頻噪聲整形能力的不同，分別測試了基于結(jié)構(gòu)本身的二階閉環(huán)加速度計和基于三階調(diào)制器結(jié)構(gòu)的五階閉環(huán)加速度計系統(tǒng)。兩次測試的采樣頻率和采樣點數(shù)一致，測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

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　　從圖7的頻譜圖中可以看出，結(jié)構(gòu)本身具有一定的噪聲整形能力，但是由于結(jié)構(gòu)本身的低頻增益較低，系統(tǒng)階數(shù)不高，對于量化噪聲的整形能力有限。圖8的測試結(jié)果顯示，當采用高階結(jié)構(gòu)以后，低頻帶內(nèi)的量化噪聲得到大大的降低，系統(tǒng)的噪聲整形能力得到很大的提高。系統(tǒng)靈敏度為1.25 V/g，低頻等效加速度輸入噪聲約為63 μg/Hz1/2。模擬開關(guān)的導通電阻和饋通效應、PCB測試板的寄生參數(shù)等都會惡化系統(tǒng)的整體性能。通過圖7和圖8 測試結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的基于高Q值高階結(jié)構(gòu)的加速度計經(jīng)過電學補償以后系統(tǒng)穩(wěn)定，工作正常，相對于二階結(jié)構(gòu)，其對傳感器帶內(nèi)量化噪聲的抑制能力大大提高。

4 結(jié)論

　　針對低階高Q值加速度計系統(tǒng)較高的量化噪聲問題提出了一種高階高Q值ΣΔ電路。通過建模分析，驗證了提出的帶前置補償器的高階高Q值加速度計系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時對該加速度計系統(tǒng)進行了電路設(shè)計和實驗驗證。測試結(jié)果表明，基于前置補償器的高階高Q值加速度計電路系統(tǒng)穩(wěn)定，該高階結(jié)構(gòu)大大降低了傳感器帶內(nèi)的量化噪聲，提升了系統(tǒng)的性能。

　　參考文獻

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