实现最优的传感器：ASIC与MEMS协同设计方法.doc
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2019-09-05
16:47:04
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实现最优的传感器：ASIC 与 MEMS 协同设计方法
传感器性能对 MEMS 和 ASIC 参数的高度依赖性表明，闭环传感器的系统
级设计需要做大量的折衷考虑，其中的 ASIC 噪声预算、激励电压、功耗和技
术都高度依赖于 MEMS 参数。因此为了实现最优的传感器，强烈推荐基于传感
器总体目标规格的 ASIC 与 MEMS 协同设计方法，而不是针对已经设计好的
MEM 再进行 ASIC 设计。
微机械式惯性传感器已经成为许多消费产品的一个组成部分，比如手持式
移动终端、照相机和游戏控制器等。此外，微机械式惯性传感器还被广泛用于
工业、汽车安全和稳定控制以及导航领域中的振动监测。一般来说，微型传感
器可以是压电式、压阻式或电容式传感器。然而，电容式传感的高热稳定性和
高灵敏度使得它对种类广泛的应用来说更具吸引力。
带数字读取功能的基本的电容式传感器接口电路由电容到电压转换器
（C/V），以及随后的模数转换器（ A/D）和信号调节电路组成。以开环配置
（没有反馈信号）运行这种传感器可以形成相对简单的系统，这种系统本身就
比较稳定。尽管如此，开环工作时的系统对 MEMS 参数会非常敏感。此外，整
个系统的线性度受传感器系统链中每个模块的线性度影响，而且 C/V 和 A/D 的
动态范围要求可能会更加严格。相反，将 MEMS 传感器放在负反馈闭环中使用
有许多好处，例如改进的带宽、对 MEMS 器件的工艺和温度变化具有较低的敏
感性。另外，由于 C/V 只需要处理误差信号，与开环工作方式相比，C/V 动态
范围和线性指标可以放宽。因此为确保系统的稳定性，正确设计反馈环路就显
得非常重要。
在电容式传感器中，反馈信号以电容激励电极上的电压信号形式施加到
MEMS.这个施加的电压将产生一个静电力并作用到 MEMS 质量块上。因此最
终形成的系统被称为力反馈系统。然而，电容有一个二次的电压比力关系，它
会限制系统的线性度。
克服电压比力（V/F）二次关系负担的一种方法是以差分方式施加激励信号，
以便抵消二次项。然而，这种技术要求正负电压值，这将增加传感器接口 ASIC
的复杂性。更重要的是，差分工作所需的两个激励电容如果不匹配会导致激励
二次项不能完全抵消，因此电容不匹配将限制系统可实现的性能。
实现闭环工作的另外一种方法使用两级 bang-bang 反馈信号。由于只用
到两个点的二次 V/F 关系，这种方法天生就是线性的，而且并不依赖 MEMS 电
容的匹配或使用负电压去抵消非线性。使用两级激励意味着将反馈信号幅度中
的信息转换为时间信息。因此 Σ-Δ 调制可以成为实现闭环数字读取传感器的一
种有效技术。另外，基于 Σ-Δ 的环路默认提供模数转换功能，因此不需要再使
用单独的 A/D.Σ-Δ 闭环架构代表了高性能数字读取传感器的最优架构。值得注
意的是，Σ-Δ 系统的超采样特性会使操作系统工作在相对较高的频率，因此系
统变得较易受 MEMS 寄生电容耦合的影响。尽管如此，抵消这种耦合的电路技
术已经非常成熟，并且可以在传感器的接口 ASIC 中实现。Σ-Δ 闭环传感器的架
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