مدارهاي تحريك و قرائت ژيروسكوپهاي ريز الكترومكانيك در فناوري CMOS

Drive and readout circuits for Micro-Electro-Mechanical gyroscopes in CMOS technology

در اين پژوهش، طراحي و شبيه‎سازي مدار تحريك و خواندن براي يك حسگر ميكروالكترومكانيكي MEMS ارائه شده است. طراحي مدار خواندن تغييرات خازني حسگر ژيروسكوپ، مهمترين بخش طراحي است كه شامل مبدل زمان پيوسته خازن به ولتاژ با استفاده از تقويت‌كننده تراامپدانسي با ساختار T شكل براي آشكارسازي تغييرات خازني و تقويت‌كننده سيگنال خروجي براي رسيدن به حد مطلوب است. مدارات در فناوري 18/0 ميكرون CMOS و به¬وسيله نرم‌افزارهاي Hspice و cadence 16.6 شبيه‌سازي شده است. در اين شبيه‎سازي با ولتاژ تغذيه 8/1± ولت، بهره و فركانس قطع تقويت¬كننده عملياتي طراحي¬شده dB108 وMHz 25/6 ، بهره و فركانس قطع TIAبرابر dB130و MHz30، توان مصرفي TIA برابر mW 5/6 ، نويز ارجاعي به خروجي nv/√Hz 558/0 و درنهايت توان مصرفي كل مدار mW200 بدست آمده است. بهبود اين نتايج نسبت به مقادير گزارش¬شده قبلي واضح است.

In this study, the design and simulation of a drive and readout circuit for a microelectromechanical sensor (MEMS) is developed. The design of the readout circuit of the capacitance variations of gyroscope sensor is the most important part of the design that includes a continuous-time converter capacitance to the voltage using a T-shaped trans-impedance amplifier to detect capacitance variations and an output signal amplifier to reach the optimum level. These circuits are simulated using Hspice and Cadence 16.6 software in 0.18μm CMOS technology. In this study with ±1.8V supply voltage, the followings have been achieved: gain and cutoff frequency of the designed operational amplifier is 108dB and 6.25MHz, gain and cutoff frequency of TIA is 130dB and 30MHz, power consumption of the TIA is 6.5mW, output-referred noise is 0.558nV/√Hz and finally the power consumption of the whole circuit is 200mW. The improvements of the result compared to the previously reported values is significant.