高精度低噪声MEMS陀螺仪电容读出电路设计与实现

"这篇论文详细探讨了一种用于MEMS（微电子机械系统）陀螺仪的高精度低噪声电容读出电路设计。作者在理解电容式微机械陀螺仪信号通路工作原理的基础上，深入分析了影响电容读出电路精度的各种非理想因素，并对这些因素进行了量化计算。设计的电路采用高频调制原理，有效地转移了低频噪声，提升了测量的分辨率。同时，他们提出了一款具有高电源抑制比的低噪声运算放大器，该放大器对于降低整体系统的噪声至关重要。通过使用连续时间的电容到电压转换技术，他们成功地研制出了一款微机械陀螺仪专用集成电路（ASIC）。这款芯片采用0.5微米的CMOS工艺制造，尺寸为3.5mm x 3.4mm。实测结果显示，ASIC的输出级噪声地板为-117 dB，当陀螺仪的工作范围为±300°/s时，可以达到0.00035°/s的极高分辨率。" 论文内容深入分析了MEMS陀螺仪的关键组件——电容读出电路的设计与优化。电容式陀螺仪通过检测微结构因角速度产生的位移来测量角速度，而读出电路是将这种微小位移转化为可读信号的关键环节。非理想因素如热噪声、失调电压、增益误差以及电源噪声等都会影响测量的精度。论文中提到的高频调制技术是一种有效的降噪策略，它通过将低频噪声转移到高频域，然后在后续的信号处理中滤除，从而提高了系统的动态范围和信噪比。 此外，设计的低噪声运算放大器对于整个系统的性能提升起着决定性作用。高电源抑制比（PSRR）意味着放大器能够有效地抑制电源波动对信号的影响，保持输出信号的稳定性。这种放大器在连续时间的电容读出方法中起到关键的转换和放大作用，将微弱的电容变化转化为可测量的电压信号。 测试结果验证了该ASIC设计的有效性，其优异的噪声性能和高分辨率表明，这种电路设计方法对于实现高精度的MEMS陀螺仪有显著优势，特别适用于对低噪声和高分辨率有严格要求的应用场景，如航空航天、导航系统和精密仪器等领域。通过这项工作，作者为MEMS陀螺仪的电路设计提供了一个有价值的参考，有助于推动相关技术的进一步发展。