利用偽隨機斬波技術(shù)的微弱MEMS信號檢測電路

何　鑫，王瑋冰，祖秋艷，宋冬雪，孫業(yè)超

(1．中國科學院微電子研究所，中國科學院微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室，北京　100029；2．江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇無錫　214135)

0　引言

MEMS傳感器前端讀出電路因為其具有高線性度、電路結(jié)構(gòu)簡單和溫度系數(shù)小等優(yōu)點，正受到更多的關(guān)注和研究。然而MEMS前端讀出電路位于處理電路中引入噪聲和失調(diào)的重要位置，這些噪聲和失調(diào)必須通過電路處理技術(shù)將其消除。常用減小噪聲和失調(diào)的技術(shù)有相關(guān)雙采樣[1](CDS)、自穩(wěn)零技術(shù)(auto-zero)和斬波放大技術(shù)[2](chopper)等。通過比較，在連續(xù)時間放大電路中，斬波放大技術(shù)可以更好地減小低頻噪聲和失調(diào)，但是由于調(diào)制解調(diào)過程中引入了開關(guān)尖峰和電荷注入，所以在斬波頻率附近產(chǎn)生紋波即殘余失調(diào)。為了消除殘余失調(diào)，提出了采用偽隨機頻率[3]斬波，即利用偽隨機頻率信號的自相關(guān)性[4]，減小剩余的殘余失調(diào)[5]和殘余的波動幅度。

1　偽隨機頻率斬波檢測原理

1．1斬波放大原理

圖1為一個傳統(tǒng)MEMS斬波放大電路[2]的簡圖，調(diào)制器S1和解調(diào)器S2同時受到斬波頻率時鐘CLK控制，左側(cè)是一個典型的可變MEMS電容電橋電路，中間的運算放大器A1能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘栠M行放大處理，通過解調(diào)器S2將失調(diào)和噪聲調(diào)制到高頻，最后低通濾波器P1將高頻的噪聲和失調(diào)濾除，被解調(diào)器S2解調(diào)的低頻信號則無衰減地通過低通濾波器P1，得到放大后的傳感器信號。

圖1　傳統(tǒng)MEMS斬波放大電路簡圖

采用斬波技術(shù)后，運算放大器A1中的失調(diào)電壓VOS被消除，但是調(diào)制器S1和解調(diào)器S2的開關(guān)尖峰和電荷注入效應(yīng)會產(chǎn)生額外的殘余失調(diào)電壓。在斬波信號CLK的頻率比較低的情況下，可以忽略解調(diào)器S2的失調(diào)貢獻，所以等效輸入殘余失調(diào)約為：

Vos，residual≈2Vinjτfchop

式中：Vinj和τ為輸入斬波開關(guān)的尖峰信號的幅度和時間常數(shù)。

過高的斬波頻率fchop將引起殘余失調(diào)電壓的顯著增加。另一方面，經(jīng)過解調(diào)器S2后，放大器A1的初始失調(diào)VOS，static和1/f噪聲被調(diào)制到斬波頻率fchop附近，形成高頻波動，不能被低通濾波器P1完全濾除，殘余的波動幅度為：

式中：gml為放大器的輸入管的跨導；CLP為輸出端低通濾波器電容。

1．2偽隨機調(diào)制自相關(guān)性原理

偽隨機調(diào)制信號[6]是一種周期信號，若觀察小于一個周期，其與真隨機二進制序列一樣，它是一種在一定范圍內(nèi)頻率呈現(xiàn)偽隨機變化的信號。文中提出的偽隨機調(diào)制自相關(guān)檢測原理如圖2所示。

圖2　偽隨機調(diào)制自相關(guān)檢測電路

前端偽隨機序列p(t)由反饋移位寄存器電路產(chǎn)生，用p(t)代替之前斬波放大電路中的斬波頻率信號CLK，經(jīng)過運算放大器A1放大后的信號同時引入了放大器的噪聲和失調(diào)n(t)，如果用x(t)表示放大器輸出的信號，那么有

x(t)=A[s(t)+n′(t)]+n(t)

式中：A為放大器的放大倍數(shù)；s(t)為經(jīng)過調(diào)制器S1調(diào)制的傳感器信號；n′(t)是上一節(jié)提到的Vos，residual和Vripple，residual時域序列。

x(t)作為放大器放大后的信號包含了與p(t)相關(guān)的信號s(t)和與p(t)不相關(guān)的隨機的噪聲失調(diào)信號n(t)和n′(t)，因此，x(t)將同發(fā)送端的偽隨機序列p(t)進行互相關(guān)運算，互相關(guān)函數(shù)為：

化簡為：

ARPP(τ)+Rnp(τ)+ARn′p(τ)

由于信號s(t)是自相關(guān)的，所以

Rpp(τ)=δ(τ)

式中δ(τ)為脈沖函數(shù)。

而偽隨機序列與噪聲、干擾不相關(guān)，故有Rnp=0和Rn·p=0，從而可以得到總的互相關(guān)函數(shù)Rxp=aδ(τ)，此互相關(guān)式子表示混雜在信號中的失調(diào)[7]和噪聲[8]以及Vos，residual和Vripple，residual可以通過互相關(guān)運算消除。

2　實驗仿真

為了驗證實驗電路的降噪效果，利用軟件Cadence Virtuoso/Spectre仿真工具對偽隨機斬波放大電路[9]在華潤0.5 μmDPTM工藝下進行了設(shè)計和仿真。圖3為實驗電路的版圖，面積為430 μm×420 μm．

圖3　實驗電路版圖結(jié)構(gòu)

圖4　運算放大器的幅頻、相頻響應(yīng)

為了驗證偽隨機頻率斬波相關(guān)性對噪聲的濾除作用，采用了模擬信號陣列模仿偽隨機斬波頻率，分別取偽隨機頻率變化個數(shù)為n=2，n=4，n=8，n=16，對放大后的信號進行DFT變換，得到圖5，分析信號幅值和殘余失調(diào)的大小，如表1所示，可以看出偽隨機頻率個數(shù)與輸出信號之間的關(guān)系，即隨著偽隨機頻率變化的個數(shù)的增加，對殘余失調(diào)減小的效果越明顯。

(a)　n=8

(b)　n=16

表1　偽隨機采樣個數(shù)與輸出殘余噪聲關(guān)系

3　結(jié)論

從原理和實驗兩個角度對隨機斬波電路做了解釋和分析，通過分析上述的數(shù)據(jù)和電路可以了解到偽隨機頻率斬波電路可以降低失調(diào)和噪聲。如果偽隨機頻率的個數(shù)n更大，將會降低更多的殘余失調(diào)。表2是對相關(guān)雙采樣、自穩(wěn)零[10]等技術(shù)與該方法進行對比。

表2　幾種降低噪聲和失調(diào)的方法

由表2可見作為消除環(huán)境干擾和噪聲的技術(shù)，偽隨機斬波調(diào)制電路適合于MEMS傳感器讀出電路的設(shè)計和研究。

參考文獻：

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