Исследование и разработка методов и адаптивных интегральных схем обработки сигналов микроэлектромеханических инерциальных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Белоусов, Егор Олегович

• Белоусов, Егор Олегович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Белоусов, Егор Олегович

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ СХЕМ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Состав и классификация инерциальных систем навигации

1.2 Принципы действия и основные разновидности МЭМС датчиков

1.3 Неидеальности датчиков на основе МЭМС

1.3.1 Неидеальности гироскопов

1.3.2 Неидеальности акселерометров

1.4 Архитектуры схем обработки

1.4.1 Схемы обработки без обратной связи

1.4.2 Схемы обработки с петлей обратной связи

1.5 Выводы и постановка задач

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ОБРАБОТКИ С АДАПТИВНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Разработка математической модели следящей системы обработки сигналов МЭМС датчиков

2.2 Разработка адаптивной следящей системы обработки сигналов

2.2.1 Адаптивная система с фиксированными динамическими характеристиками

2.2.2 Адаптивная система с перестраиваемыми динамическими характеристиками

2.3 Метод расчета параметров звеньев компенсации для обеспечения стабильности адаптивной схемы

2.4 Разработка функциональных блоков адаптивной схемы

2.4.1 Разработка звеньев компенсации

2.4.2 Разработка детектора огибающей

2.5 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ШУМОВ ВХОДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УЗЛОВ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ

2

3.1 Способы построения и требования к характеристикам входного каскада

3.2 Источники шумов и неидеальностей входных каскадов

3.3 Уменьшение низкочастотных шумов с использованием БиКМОП схемотехники

3.4 Метод уменьшения низкочастотных шумов КМДП входных каскадов

3.5 Подавление неидеальностей ОУ в составе зарядового усилителя схемы обработки сигналов с акселерометра

3.6 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В СОСТАВЕ ТЕСТОВОГО КРИСТАЛЛА СХЕМЫ ОБРАБОТКИ

4.1 Разработка усилителя с переменным КУ

4.2 Разработка электрической схемы операционного усилителя в составе функциональных блоков

4.3 Разработка устройства накачки датчика

4.4 Особенности построения формирователя тактового сигнала

4.5 Разработка схемы температурной компенсации датчиков

4.5.1 Температурный дрифт параметров датчиков

4.5.2 Схема температурной компенсации акселерометра

4.6 Проверка работоспособности разработанных функциональных блоков на тестовом кристалле

4.7 Сравнение характеристик разработанной схемы обработки с аналогами

4.8 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А Заказная интегральная схема обработки сигналов с гироскопа

Приложение Б Заказная интегральная схема обработки сигналов с

акселерометра

Приложение В Акты об использовании результатов диссертационной работы

Список сокращений и условных обозначений

ARW - angle random walk;

HPE - horizontal position error;

АРУ - автоматическая регулировка усиления;

АЦП - аналово-цифровой преобразователь;

БИД - блок инерциальных датчиков;

ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система;

ГУН - генератор, управляемый напряжением;

ДУС - датчик угловой скорости;

ЗЗ - запаздывающее звено;

ИИБ - инерциальный измерительный блок;

ИНС - интегральные навигационные системы;

КОС - коэффициент обратной связи;

КУ - коэффициент усиления;

МдМ - модуляция-демодуляция;

МШУ - малошумящий усилитель;

МЭМС - микроэлектромеханическая система;

ОЗ - опережающее звено;

ОИТУН - операционный источник тока, управляемый напряжением;

ООС - отрицательная обратная связь;

ОС - обратная связь;

ОУ - операционный усилитель;

ПК - переключаемые конденсаторы;

СДМ - сигма-дельта модулятор;

СОС - синфазная обратная связь;

СПМ - спектральная плотность мощности;

ССН - спутниковая навигационная система;

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты;

ФНЧ - фильтр нижних частот;

ЭПШ - эквивалентная полоса шум;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов и адаптивных интегральных схем обработки сигналов микроэлектромеханических инерциальных датчиков»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время инерциальные датчики применяются во многих отраслях, таких как робототехника, потребительская электроника, электроника военного назначения, и другие. Инерциальные датчики, выполненные по микроэлектромеханической технологии (МЭМС), обладают рядом достоинств по сравнению с механическими или оптическими датчиками, такими как малый размер, малая стоимость, высокая точность, и т.д. Разработка современных инерциальных измерительных приборов и систем на основе МЭМС в России производится в том числе в НИУ МИЭТ.

МЭМС датчики находят применение в таких устройствах, как системы стабилизации подвижных объектов, например, видеокамер, робототехника, военные приложения, и т.д. В составе систем стабилизации при помощи гироскопов можно осуществлять контроль и предотвращение заносов, переворачиваний, и опрокидываний. Инерциальные МЭМС датчики могут быть включены в состав системы навигации как в виде отдельного инерциального устройства, так и в качестве устройства с поддержкой спутниковой системы навигации (ССН), при этом точность датчика во многом определяет степень автономности беспилотного средства при отсутствии сигнала ССН. Благодаря наличию хорошей технологической базы в МИ-ЭТ успешно проводятся работы по разработке и изготовлению микроакселерометров, микрогироскопов и систем на их основе, а также других МЭМС.

Схема обработки сигнала с МЭМС датчика предназначена для обеспечения рабочего режима микромеханического элемента датчика, усиления, демодуляции, и фильтрации выходного сигнала датчика; она влияет на точность измерений МЭМС датчика: в сторону ухудшения характеристик датчика за счет добавлении собственных шумов и неидеальностей, так и в сторону улучшения, например, при помощи подавления квадратурной составляющей. Кроме того, на схему обработки сигналов приходится основная часть потребляемой мощности системы. Поскольку МЭМС датчики сами по себе отличаются малыми размерами, то схему обработки следует разрабатывать в виде единой интегральной схемы (ИС).

Существующие ИС обработки сигналов с инерциальных датчиков с петлей отрицательной обратной связи (ОС) обладают фиксированным коэффициентом обратной связи (КОС), что приводит к обратной зависимости между полосой и шумом на выходе системы, таким образом, ограничивается точность позиционирования. Схемы обработки без петли ОС предназначены для работы с датчиками с невысокой добротностью, что также ограничивает точность. Кроме того, в известных работах не рассматриваются способы подавления неидеальностей и шумов входных каскадов, которые вносят большой вклад в итоговый шум на выходе схемы. Для повышения точности измерения инерциальных МЭМС датчиков в настоящей работе была поставлена задача построения интегральной схемы обработки сигналов с использованием адаптивной перестройки петли ОС и методов подавления шумов входного каскада, что позволит уменьшить шум на выходе схемы обработки сигналов с инерциальных датчиков, и увеличить точность позиционирования.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью работы является увеличение точности интегральной схемы обработки сигналов с МЭМС датчиков угловой скорости и ускорения.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи диссертационной работы:

1. Разработать методы адаптации параметров схемы ОС, приводящих к увеличению соотношения сигнал-шум;

2. Исследовать характеристики устойчивости схемы обработки со схемой адаптации и разработать адаптивную схему компенсации;

3. Разработать схемотехнические узлы в составе адаптивной схемы

4. Разработать методы уменьшения шума входных каскадов схемы обработки с целью увеличения точности схемы;

5. Разработать ИС обработки сигналов с МЭМС инерциальных датчиков угловой скорости и линейного ускорения.

Научная новизна диссертации

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Исследовано влияние параметров петли отрицательной ОС схемы обработки на соотношение сигнал-шум на выходе схемы. Установлена закономерность влияния адаптивной коррекции полосы пропускания на шумовые характеристики схемы.

2. Разработана модель системы обработки сигналов с МЭМС датчика, позволяющая предсказывать влияние адаптивной схемы на итоговую точность, динамические характеристики и стабильность петли ОС.

3. Исследовано влияние параметров ОС с адаптивными звеньями компенсации на стабильность схемы обработки сигналов с микроэлектромеханических датчиков. Установлена степень влияния адаптивной компенсации смещения фазы на устойчивость петли ОС.

4. Проведено исследование динамических методов подавления низкочастотных шумов схемы обработки. Показано, что динамический метод модуляции-демодуляции в наибольшей степени подавляет низкочастотный шум усилителя с емкостной ОС при применении его вне петли ОС малошумящего усилителя.

Практическая значимость работы

1. Предложенный метод адаптивной ОС позволяет увеличить точность ориентирования беспилотных устройств, таких как БПЛА, наземные роботы, и т.д., за счет увеличения среднего соотношения сигнал-шум на выходе схемы на 5 дБ при сохранении преимущества МЭМС инерциальных датчиков в энергопотреблении.

2. Разработанные функциональные блоки использовались при проектировании интегральных устройств обработки сигналов с МЭМС датчиков. Предложенные входные узлы схемы обработки обладают в 4 раза меньшей величиной шума в рабочей полосе, по сравнению с традиционными решениями.

3. Результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций

и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Результаты диссертационной работы использованы в: соглашении о предоставлении субсидии № 14.575.21.0097 от 06.11.2014 на выполнение прикладных научных исследований по темам: «Разработка конструкторско-технологических решений создания электронной компонентной базы на широкозонных полупроводниках для современной радиоэлектронной аппаратуры в диапазоне частот 30-60 ГГц» (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57514X0097); разработка и изготовление экспериментальных образцов тактового генератора и узла сенсорных элементов на основе МЭМС для 3D МФГС, шифр «Небоскрёб-МТ».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение адаптивной схемы отрицательной ОС в составе схемы обработки сигнала с гироскопа позволяет уменьшить ошибку позиционирования гироскопа по сравнению со схемой обработки с фиксированным коэффициентом ОС

2. Применение перестраиваемых звеньев компенсации в составе адаптивной схемы обработки сигналов с гироскопа позволяет обеспечить устойчивость петли ОС при любом значении коэффициента обратной связи.

3. Разработанный динамический метод подавления неидеальностей входного каскада схемы обработки позволяют увеличить точность позиционирования гироскопа и акселерометра.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы из 147 наименований. Объем диссертации составляет 166 страниц текста и включает 115 рисунков и 7 таблиц.

ГЛАВА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ

ВЫСОКОТОЧНЫХ СХЕМ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Состав и классификация инерциальных систем навигации

Инерциальные навигационные системы (ИНС) являются одним из важных способов определения координат объекта в пространстве, поскольку их работа не зависит от внешних опорных источников [1]. ИНС широко используются в морском и воздушном транспорте, для навигации управляемых ракет, и космических кораблей. Присущие инерциальным системам достоинства, такие как независимость от внешних опорных источников и условий видимости, устойчивость к помехам, отсутствие внешнего излучения, делают ИНС особенно подходящими для использования в составе автономных беспилотных наземных и воздушных объектов [2,3]. В условиях отсутствия сигнала спутниковой системы навигации (ССН), например, в лесной местности, ИНС становится незаменимой для определения положения и направления движения беспилотного подвижного объекта, такого как колесного робота. Кроме того, блок ИНС также осуществляет коррекцию рулевого направления и предотвращение опрокидываний, для чего ИНС необходимо проводить измерения по трем осям. Существующие применения ИНС на колесных роботах позволяют уменьшить ошибку навигации с 8 м до 1 м при прохождении роботом расстояния в 80 м [4], кроме того система навигации позволила роботу не терять ориентацию и не опрокидываться при езде по сильно неоднородной поверхности. Среди недостатков ИНС стоит отметить накапливающуюся со временем ошибку измерений [4], меньшую, по сравнению со ССН, точность, точные инерциальные систем имеют большие размеры и энергопотребление, а миниатюрные и малопотребляющие ИНС обладают невысокой точностью, по этой причине ИНС в составе автономных подвижных объектов обычно сопрягается с ССН.

Принцип действия ИНС основан на непрерывном измерении линейного ускорения и угловой скорости тела, при этом измерение ведется относительно

известных начальных координат. Инерциальный измерительный блок (ИИБ) ИНС, как правило, состоит из набора акселерометров и гироскопов, по одному на каждую измеряемую ось. Эти датчики закреплены на единой платформе для сохранении одинаковой ориентации. Состав инерциальной навигационной системы изображен на рисунке 1.1. Блок инерциальных датчиков (БИД) представляет собой набор механических, оптических, или других устройств, измеряющих угловую скорость или линейное ускорение, для функционирования БИД необходимо его взаимодействие с блоком обработки сигналов, представляющим собой, например, микроэлектронное устройство, которое считывает сигнал с БИД, приводит датчики в рабочий режим, осуществляет коррекцию неидеальностей датчиков, и т.д. На основании выходного сигнала ИИБ производится вычисления пространственного положения, и производные от него навигационные данные [3].

Рисунок 1.1 - Архитектура инерциальной навигационной системы

ИНС различаются по точности измерений на навигационные, тактические, промышленного применения, потребительского назначения [5]. Требования к каждой категории точности для дрейфа датчика угловой скорости (ДУС) показаны в таблице 1.1.

ИНС навигационной и морской категории точности являются самыми точными из представленных на рынке, такие устройства применяются на судах, подводных лодках, и некоторых космических аппаратах. Стоимость наиболее точных ИНС морской категории составляет от 1 млн. $ за единицу, они обеспечивают отклонение измеренных координат от реальных менее 1,8 км за 24

работы устройства. ИНС навигационной категории обладают несколько худшей точностью, типичное отклонение координат таких систем - менее 1 км за час, стоимость таких систем составляет от 100 000 $ за изделие, такие ИНС применяются на борту гражданских и военных самолетов.

Таблица 1.1 - Требования для дрейфа датчика угловой скорости

Случайн ый дрейф, Смещен ие нуля, °/ч Ошибка горизонтального позиционирования После интегрирования в течении:

Категория 1 с 10 с 60 с 1 ч

навигационная 0,002 0,001 0,01 мм 0,1 мм 1,3 мм 620 м

тактическая 0,07 0,5 -0,05 0,1 мм 3,2 мм 46 мм 22 км

промышленная 3 10-1000 10 мм 0,23 м 3,3 м 1500 км

потребительская 5 20 мм 0,45 м 6,6 м 3100 км

Датчики тактического класса точности пригодны для применения в составе курсовертикали управляемых боеприпасов, небольших автономных подвижных объектов, таких как наземные роботы, и т.д. Последние категории точности предполагает использования только датчиков, без ИНС [6, 7, 8]. Датчики промышленной и потребительской категорий используются в составе таких систем, как датчики подушек безопасности, анти-блокировочная тормозная система автомобиля, системы регистрации движения для телефонов и смартфонов, контроллеры для игровых приставок, и др [9, 10, 11, 12, 13, 14].

Существует множество вариантов реализации гироскопов и акселерометров в составе ИНС, среди которых широкое распространение имеют механические, оптические, и микромеханические датчики. В таблице 1.2 представлены современные образцы инерциальных датчиков в составе ИНС и их характеристики.

Таблица 1.2 - Современные образцы инерциальных датчиков

Произво Модель Тип устройства Класс Мощ- Масса Источник

дитель точности ность, Вт/ напряжение питания, В

ЗАО «Инерци МГ-4 Миниатюрный механический тактический -/ до 115 В 200 г

альные гироскоп [15]

техноло ГВК-18 Миниатюрный тактический -/ до 115 В 250 г

гии» механический

гироскоп

НИИ МТ-402МЭ Трехосный лазерный тактический 33 Вт/33 В 5,5 кг

«Полюс гироскоп [16]

» МТ-300 Трехосный тактический 30 Вт/33 3,7 кг

лазерный В

гироскоп

Northrop Grumman G-2000 Двухосный гироскоп тактический 1,8 Вт/12 В 25 г [17]

Sensonor SAR100 Одноосный МЭМС гироскоп Потребитель ский 85 мВт/5 В 1,5 г [18]

STIM20 2 Трехосный МЭМС гироскоп тактический 1,5 Вт/5 В 55 г [19]

GG1320 AN Одноосный лазерный Навигацион ный 1,6 Вт/15 В 0,45 кг [20]

Honey- гироскоп

well GG5300 Трехосный МЭМС гироскоп Тактический 0,14 кг

/потребитель ский 0,8 Вт/5 В [21]

DSP- 3400 Одноосный оптический гиро- тактический 1,25 Вт/5 В 0,3 кг

KVH скоп [22]

DSP- 1760 Трехосный оптический гироскоп тактический 5 Вт/36 В 0,6 кг

Senodia SZ030H Одноосный МЭМС гироскоп Потребитель ский 11 мВт/3 В - [23]

ST200G C Трехосный МЭМС гироскоп Потребитель ский 30 мВт/5 В [24]

Для применения в составе автономных подвижных объектов подходят

устройства тактического класса точности. Такому классу удовлетворяют

малогабаритные механические гироскопы, использующие роторный принцип,

лазерные, оптические, и МЭМС гироскопы. Однако, напряжение питания

12

механических устройств превышает 100 В, что требует наличие громоздкой батареи на борту объекта. Оптические и лазерные гироскопы способны достичь навигационного и тактического класса точности, но потребляемая мощность таких устройств превышает 1,25 Вт что не удовлетворяет требованиям низкого энергопотребления. МЭМС датчики, имеющие малое энергопотребление и размер, обладают потребительским классом точности, а энергопотребление более точных датчиков превышает 1 Вт. Далее рассматриваются МЭМС устройства, анализируются причины их худшей точности и проводится поиск способов повышения их точности при сохранении таких преимуществ, как размер и малое потребления.

1.2 Принципы действия и основные разновидности МЭМС датчиков

1.2.1 Структуры гироскопов

МЭМС гироскоп представляет собой миниатюрный резонатор, который способен колебаться по двум осям, первичной и вторичной. По типу исполнения, такие гироскопы подразделяются на миниатюрные вибрирующие гироскопы (MVG, micromachined vibrating gyroscopes), пьезоэлектрические вибрирующие гироскопы (PVG - piezoelectric vibrating gyroscopes), гироскопы на поверхностных акустических волнах (SAW - surface acoustic wave), гироскопы на объемных акустических волнах (BAW - bulk acoustic wave), гироскопы с электростатической подвеской ротора (MESG - micromachined electrostatically suspended gyroscopes), гироскопы с магнитной подвеской ротора (MSG - magnetically suspended gyroscopes), оптоволоконные микрогироскопы (MFOG - micro fiber optic gyroscopes), жидкостные микрогироскопы (MFG - micro fluid gyroscopes), атомные микрогироскопы (MAG - micro atom gyroscopes) [25].

Модель работы вибрирующего гироскопа показана на рисунке 1.2. Чувствительная масса m подвешивается на двух пружинах и двух демпферах на закрепленной на измеряемом теле платформе. Примем, что по оси x прикладывается возбуждающее колебание, а по оси y появляется наведенное

13

колебание. В целях измерения углового ускорения резонатор вводят в режим резонанса по первичной оси при постоянной частоте и амплитуде электростатическим, электромагнитным, пьезоэлектрическим, или иным способом [26], при этом координаты по оси х равны:

х() = Ах Мю/), (1Л)

где Ах - амплитуда, юх - угловая частота возбуждающего колебания. При наличии угловой скорости относительно оси 2, возникает сила Кориолиса вдоль оси у:

ау = 202 х ёх / & = -202Ах ео8(юх/)

(1.2)

следовательно, чувствительное тело будет колебаться вокруг оси у по причине

действия силы Кориолиса.

Возбуждающее к^лебан^е

■ЛЛАЛ

чь

«7

т

АУ

а «а

ой

со

б е

и о

» е я

н {В

Рисунок 1.2 - Модель работы вибрирующего гироскопа

Исходя из измеренного значение смещения по оси у возможно вычислить

угловую скорость О2. При совпадении резонансных частот оси возбуждение и оси

полезного сигнала, величина амплитуды по оси у достигает максимума, а полоса

частот устройства - минимума. Для определения источников неидеальностей

датчиков необходимо выявить связь механических параметров устройства, и

параметров его движения. Если оси х и у перпендикулярны друг другу, то движение

чувствительной массы относительно платформы можно описать как [45]:

Ыс[(г) + Бц (^) + Кц(г) = ^ (Г) + 2ПШ? ^) (1 3)

т т

где с(0 = [(х(0,у(0] - двумерный вектор отклонения, = [(^х(/),^у(/)] -

двумерный вектор движущей силы, а О - угловая скорость относительно оси 2. Б,

14

М, и К представляют собой матрицы массы, амортизации, и жесткости размером 2 х 2:

М =

т„

0

0 т,

Б =

XX ху

ух УУ

К =

К кху кух куу_

(1.4)

Диагональные элементы матрицы йху, йух в матрице Д и кху, кух в матрице К характеризуют эффекты вязкого демпфирования и анизоупругости соответственно. Наконец, S - асимметричная матрица, которая показывает как ускорение под действием силы Кориолиса связывает движение двух осей гироскопа:

£ =

0 1 -1 0

Вибрирующие микрогироскопы также могут быть изготовлены несколькими способами. Одно из первых реализованных устройств такого типа был построен по схеме на двух подвесах [27]. Такое устройство состоит из двух подвесов, поддерживаемых двумя торсионных рычагах, как показано на рисунке 1.3. Для измерения угловой скорости, внутренний подвес приводится в движение с постоянной частотой и амплитудой путем подачи сигнала на электроды смещения. В присутствии угловой скорости, направленной перпендикулярно устройству, сила Кориолиса будет воздействовать на внешний подвес, что приведет к его колебанию вокруг оси съема сигнала с частотой, равной частоте возбуждения и амплитудой, пропорциональной угловой скорости. Гироскопы такого типа были также описаны в [28, 29, 30].

Другим способом реализации вибрирующих микрогироскопов является камертонная структура (рис. 1.4). Такой вид гироскопов состоит из пары вибрирующих тел, которые колеблются с одинаковыми амплитудами, но в противоположные стороны. Зубцы этих устройств возбуждают с частотой резонанса в противофазе в плоскости устройства (1), при возникновении угловой скорости, зубцы начинают колебаться в плоскости, перпендикулярной устройству (2), таким образом возникает крутящий момент вокруг основания камертонной структуры.

Внешний подвес Ось входного сигнала Ъ

Вибрирующее тело

Электроды съема сигнала

Опорная балка

Ось

смещения Х Электроды смещения

Ось съема сигнала У

Рисунок 1.3 - Гироскоп на двойном подвесе

Рисунок 1.4 - Камертонная структура гироскопа

Подобные структуры могут иметь одну пару зубцов, две пары, как показано на рис. 1.4, а также иметь многопарную схему, которая позволяет увеличить

чувствительность устройства. Как правило, для возбуждения такого вида структур используют электростатический метод, а смещение под действием силы Кориолиса определяется емкостным или электромагнитным способом. При совпадении резонансных частот первичной и вторичной оси, выходной сигнал возрастет в Q раз, что резко повышает чувствительность. Однако, выравнивание резонансных частот требует очень точного контроля над размерами зубцов, кроме того, может быть повышено влияние температуры на точность измерений. По этим причинам, производимые гироскопы такого типа имеют различные частоты резонанса в обоих плоскостях. Камертонные гироскопы описаны в [31, 32, 33]. Среди представленных устройств подобного типа, гироскопы, описанные в [34, 35] обладают очень высокой добротностью (до 64 000), что означает высокую точность измерений.

Гироскопы на основе вибрирующего кольца состоят из гибкого кольца, способного вибрировать в нескольких плоскостях, поддерживающих пружин, электродов подачи и съема сигналов, как показано на рисунке 1.5. Кольцо приводится в колебательное состояние с частотой резонанса электростатическим или электромагнитным способом. Для возбуждения кольца электромагнитным способом, в центре кольца должен располагаться магнит, а через электроды необходимо пропускать импульсы тока с частотой резонанса.

Входные электроды

Наведенные колебания

Вынужденные колебания

Выходные электроды

Рисунок 1.5 - Гироскоп на основе вибрирующего кольца

Кольцевые гироскопы обладают такими достоинствами, как хорошая согласованность частот резонанса первичной и вторично оси, высокая точность, малые значения смещения нуля и долговременной стабильности. Устройства такого типа были впервые описаны в [36-38].

Описанные виды МЭМС гироскопов имеют одинаковые принципы действия и принципами выведения их в рабочий режим, однако они отличаются такими параметрами, как резонансная частота, добротность, чувствительность, диапазон измерений. Следовательно, схема обработки сигналов с гироскопов с адаптивными параметрами функциональных блоков может быть использована совместно с различными видами структур гироскопов.

1.2.2 Структуры акселерометров

Основная часть производимых датчиков линейных ускорений, или акселерометров, использует схожие с датчиками давления принципы работы, то есть пьезорезистивный, емкостный, и резонансный, кроме того изредка применяются туннельный [39] и температурный [40] методы. Различные образцы акселерометров значительно отличаются по своим характеристикам, и применяются как в системах, не требующих высокой точности, например датчики для срабатывания подушек безопасности автомобилей (диапазон измерений - 50 g, разрешение - <100 mg), так и в прецизионных системах, например системах навигации (диапазон измерений - 1 g, разрешение - <4 ^). Среди областей применения акселерометров можно также выделить биомедицинские приложения, системы стабилизации видеокамер, нашлемные индикаторы, и т.д.

Схема работы акселерометра на сосредоточенных элементах показана на рисунке 1.6. Датчик состоит из чувствительной массы, соединенной посредством пружины и демпфера к неподвижной платформе. При возникновении линейного ускорения чувствительная масса смещается по оси х относительно платформы под действием инерции, что вызывает деформацию пружины. Для получения

18

электрического сигнала можно использовать как смещение относительно платформы посредством емкостного метода, так и деформацию пружины

посредством тензорезистивного метода.

Пружина

F=Kx

F=Dv Демпфер

x.

Чувствительное

тело

F=Ma

отклонение

Рисунок 1.6 - Схема работы акселерометра

Точность измерения акселерометра ограничена случайными тепловыми движениями как самого чувствительного тела, так и окружающей среды. Согласно законам термодинамики тепловая энергия системы в равновесии равна kBT /2 на каждую ось свободы, где kB - постоянная Больцмана, T - температура. Несмотря на небольшую величину тепловой энергии, случайные колебания чувствительного тела весьма значительны по причине малой его массы, при этом рассматриваемы шум является белым шумом. Спектральная плотность мощности шума акселерометра (Total noise equivalent acceleration, TNEA) определяется как [41]:

^4kBTD

TNEA =

a2

4kBTD®r

QM K )

д/ м М

где Q - добротность датчика, а юг - резонансная частота системы второго порядка, состоящая из пружины и демпфера. Как видно из выражения, для измерения малых уровней ускорения необходима большая масса чувствительного тела и высокая добротность. Помимо белого шума, на чувствительное тело действует также фликкер шум и изменение температуры, которые вызывают смещение нуля.

Как было указано выше, для преобразования механического воздействия на чувствительное тело в электрический сигнал возможно использовать пьезорезистивный метод, первые представленные образцы МЭМС акселерометров использовали такой метод [42]. Чувствительное тело крепится к платформе при

19

помощи гибкой пружины или балки, выполненной из пьезорезистивного кремния. При возникновении движения платформы относительно тела происходит сжатие или растяжение балки, что приводит к изменению сопротивления. Пьезорезисторы, как правило, располагают на краях опорной платформы и чувствительного тела, что увеличивает изменение напряжений. Измерительный мост или полумост в таком случае формируется четырьмя или двумя пьезорезисторами. Основным преимуществом таких акселерометров является простота устройства, производства, и схемы обработки датчика, поскольку полезный сигнал выдается сразу в виде напряжения с низкоомного источника. Но, как и в случае с датчиками давления, для них характерна высокая температурная зависимость и меньшая чувствительность, по сравнению с емкостными датчиками, для повышения чувствительности в этом случае используют большую массу чувствительного тела.

Датчики ускорений емкостного типа для отслеживают при помощи электрической схемы обработки измерение емкости, возникающее вследствие перемещения чувствительного тела относительно платформы под действием ускорения. Тело и платформа выполняются в виде проводящих элементов, разделенных узким проемом.

Емкостные акселерометры обладают такими преимуществами, как высокая чувствительность, малый уровень шумов и случайного дрейфа, малая потребляемая мощность самого датчика, простота устройства. Недостатками такого типа являются уязвимость к электромагнитным помехам, вследствие высокого импеданса выходного узла датчиков, хотя такие помехи можно минимизировать путем экранирования датчика и схемы обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Белоусов, Егор Олегович, 2017 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Basic principles of Inertial Navigation. Seminar on inertial navigation

systems // Tampere University of technology. Режим доступа: http://aerostudents.com/files/avionics/InertialNavigationSystems.pdf.

2. J. Koch, C. Hillenbrand and K. Berns. Inertial navigation for wheeled robots in outdoor terrain // Proceedings of the Fifth International Workshop on Robot Motion and Control, 2005, pp. 169-174.

3. Barshan, B.; Durrant-Whyte, H.F. Inertial navigation systems for mobile robots // Robotics and Automation, IEEE Transactions on , vol.11, no.3, 1995, pp.328342.

4. Stockwell W. Angle Random Walk // Crossbow Technology, Inc. Режим доступа:

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.210.1133&rep=rep1&type=pdf

5. Inertial Measurement Units and Inertial Navigation // Vectornav Technologies, LLC. Режим доступа: http://www.vectornav.com/support/library/imu-and-ins.

6. N. Yazdi, F. Ayazi and K. Najafi. Micromachined inertial sensors // Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, 1998, pp. 1640-1659.

7. H. Lefevre, The Fiber-Optic Gyroscope. Norwood, MA: Artech House, 2014. - 416 p.

8. A. Lawrence. Modern Inertial Technology: Navigation, Guidance, and Control, New York: Springer-Verlag, 1993. - .278 p.

9. J. Seeger, M. Lim, S. Nasiri, Development Of High-Performance, HighVolume Consumer MEMS Gyroscopes// InvenSense Inc. Режим доступа: http://www.digikey. com/en/pdf/i/invensense/development-high-performance-mems-gyroscopes.

10. O. Minin, I. Minin. Microsensors, InTech, 2011.

11. Neul, R., Gomez, U.-M., Kehr, K., Bauer, W., Classen, J., Doring, C., Esch, E., Gotz, S., Hauer, J., Kuhlmann, B., Lang, C., Veith, M., Willig, R. Micromachined

angular rate sensors for automotive applications // Sensors Journal, IEEE 7(2), 2007, pp. 302-309.

12. Nonomura, Y., Fujiyoshi, M., Omura, Y., Fujitsuka, N., Mizuno, K., Tsukada, K. SOI rate gyro sensor for automotive control, Sensors and Actuators // A: Physical 132(1), 2006, pp. 42 -46.

13. Sparks, D., Zarabadi, S., Johnson, J., Jiang, Q., Chia, M., Larsen, O., Higdon, W. & Castillo-Borelley, P.. A CMOS integrated surface micromachined angular rate sensor: its automotive applications // Solid State Sensors and Actuators, 1997.TRANSDUCERS '97 Chicago., 1997 International Conference on, Vol. 2, pp. 851854.

14. Voss, R., Bauer, K., Ficker, W., Gleissner, T., Kupke, W., Rose, M., Sassen, S., Schalk, J., Seidel, H. & Stenzel, E.. Silicon angular rate sensor for automotive applications with piezoelectric drive and piezoresistive read-out // Solid State Sensors and Actuators, Chicago., 1997 International Conference on, Vol. 2, pp. 879-882.

15. Инерциальные технологии «Технокомплекса», Микромеханические ИНС - Режим доступа: http://www.inertech.ru/ru/micromechanical-strapdown-inertial-navigation-system. html.

16. НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, Трехосный лазерный гироскоп МТ-402МЭ - Режим доступа: http://www.polyus.info/products-and-services/laser-gyroscopes/757762/.

17. Northrop Grumman G-2000 Datasheet - Режим доступа: http://www.northropgrumman.com/Capabilities/G2000DTGGyroscope/Documents/g200 0.pdf.

18. Sensonor SAR100 Datasheet - Режим доступа: http://www.sensonor.com/mediaZ3 9621/datasheet_sar100_robust_gyro_sensor_ts1440_r4 .pdf.

19. Sensonor STIM202 Datasheet - Режим доступа: http://www.sensonor.com/media/48459/datasheet%20stim202%20ts1439%20r6.pdf.

20. Honeywell GG1320 Datasheet - Режим доступа: https://aerospace.honeywell.com/en7~/media/aerospace/files/user-manual/gg1320-usermanual.pdf.

21. O.J. Woodman. An introduction to inertial navigation // University of Cambridge. Режим доступа: https://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-696.pdf.

22. Fiber optic gyros. KVH Industries - Режим доступа: http://www.kvh.com/Commercial-and-OEM/Gyros-and-Inertial-Systems-and-Compasses/Gyros-and-IMUs-and-INS.aspx.

23. Senodia SZ030H Datasheet - Режим доступа: http://www.senodia.com/Uploads/Product/57c78d47f130a.pdf.

24. Senodia ST200GC Datasheet - Режим доступа: http://www.senodia.com/Uploads/Product/57c78cfc179f9.pdf.

25. Xia, D.; Yu, C.; Kong, L. The Development of Micromachined Gyroscope Structure and Circuitry Technology // Sensors 2014, 14, pp. 1394-1473.

26. Бабаевский П.Г., Резниченко Г.М., Жуков А.А., Жукова С.А., Гринькие Е.А. Электромеханические преобразователи сенсорных микро- и наносистем: физические основы и масштабные эффекты. Часть 1. Чувствительные механические элементы и актюаторы // Нано- и Микросистемная Техника - М., Новые технологии, № 11, 2008, с. 32-44.

27. Boxenhorn, B., Greiff, P. A vibratory micromechanical gyroscope // Guidance, Navigation and Control Conference, Guidance, Navigation, and Control and Co-located Conferences, 1988.

28. Niu, M.; Xue, W.; Wang, X.; Xie, J.F.; Yang, G.Q.; Wang, W.Y. Design and Characteristics of Two-Gimbals Micro-Gyroscopes Fabricated with Quasi-LIGA Process // In Proceedings of the International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, IL, USA, 16-19 June 1997; pp. 891-894.

29. Geiger, W.; Folkmer, B.; Merz, J. A new silicon rate gyroscope // Sens. Actuators A: Phys. 1999, 73, 45-51.

30. Che, L.; Xiong, B.; Wang, Y. Simulation of Characteristic of Comb-gimbal Micromachined Gyroscope // In Proceedings of the IEEE Conference on Sensors, Orlando, FL, USA, 12-14 June 2002; pp. 1095-1098.

31. Chen, Y.; Jiao, J.; Xiong, B.; Che, L.; Li, X.; Wang, Y. A novel tuning fork gyroscope with high Q-factors working at atmospheric pressure // Microsystem. Technol. 2005, 11, pp. 111-116.

32. Jiang, T.; Wang, A.L.; Jiao, J.W.; Liu, G.J. Detection capacitance analysis method for tuning fork micromachined gyroscope based on elastic body model // Sens. Actuators A: Phys. 2006, 128, pp. 52-59.

33. Che, L.F.; Xiong, B.; Li, Y.F.; Wang, Y.L. A novel electrostatic-driven tuning fork micromachined gyroscope with a bar structure operating at atmospheric pressure // J. Micromech. Microeng. 2010, 20, pp. 1-6.

34. Zaman, M.; Sharma, A.; Amini, B.; Ayazi, F. Towards Inertial Grade Vibratory Microgyros: A High-Q in-Plane Silicon-on-Insulator Tuning Fork Device // In Proceedings of Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, 6-10 June 2004; pp. 384-385.

35. Zaman, M.; Sharma, A.; Ayazi, F. High Performance Matched-Mode Tuning Fork Gyroscope // In Proceedings of the IEEE Conference on MEMS, Istanbul, Turkey, 22-26 January 2006; pp. 66-69.

36. Ayazi, F.; Najafi, K. Design and Fabrication of A High-Performance Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope // In Proceedings of the Eleventh Annual International Workshop on MEMS, Heidelberg, Germany, 25-29 January 1998; pp. 621626.

37. Ayazi, F.; Najafi, K. A HARPSS polysilicon vibrating ring gyroscope // J.Microelectromechanical Syst. 2001, 10, 169-179.

38. He, G.; Najafi, K. A Single-Crystal Silicon Vibrating Ring Gyroscope // In Proceedings of the Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Las Vegas, NV, USA, 20-24 January 2002; pp. 718-721.

39. C. Liu, A. Barzilai, J. Reynolds, A. Partridge, T. Kenny, J. Grade, H. Rockstad. Characterization of a high-sensitivity micromachined tunneling accelerometer with micro-g resolution // J. Micro. Elect. Mech. Syst., Vol-7, 1998, pp. 235-244.

150

40. A. Leung, J. Jones, E. Czyzewska, J. Chen, B. Woods. Micromachined accelerometer based on convection heat transfer // Proc. 11th IEEE Workshop on MEMS, 1998, Heidelberg, pp. 627-630.

41. T. Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors // IEEE Trans. Elect. Dev., Vol-40, 1993, pp 903-909.

42. L.M. Roylance, J. A. Angell. A batch-fabricated silicon accelerometer // IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-26, 1979, pp. 1911-1917.

43. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи М.: Гардарики, 2000 - 637 с.

44. M. Saukoski. System and Circuit Design for a Capacitive MEMS Gyroscope: PhD thesis. - Helsinki University of Technology, 2008, p. 279.

45. A. Sharma, M. F. Zaman and F. Ayazi. A Sub-0.2 hr Bias Drift Micromechanical Silicon Gyroscope With Automatic CMOS Mode-Matching // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 5, 2009, pp. 1593-1608.

46. R. Antonello, R. Oboe, L. Prandi, C. Caminada and F. Biganzoli. Open loop compensation of the quadrature error in MEMS vibrating gyroscopes // 2009 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Porto, 2009, pp. 4034-4039.

47. Y. Ni, H. Li, L. Huang. Design and Application of Quadrature Compensation Patterns in Bulk Silicon Micro-Gyroscopes // Sensors (Basel, Switzerland). 2014; 14(11), pp. 20419-20438.

48. Weijie Yun, R. T. Howe and P. R. Gray. Surface micromachined, digitally force-balanced accelerometer with integrated CMOS detection circuitry // Technical Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, 1992, pp. 126-131.

49. A. Sharma, M. F. Zaman and F. Ayazi, "A 104-dB Dynamic Range Transimpedance-Based CMOS ASIC for Tuning Fork Microgyroscopes," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 8, pp. 1790-1802, Aug. 2007.

50. L. Aaltonen, Integrated Interface Electronics For Capacitive Mems Inertial Sensors. PhD thesis - Aalto University School of Science and Technology, 2010.

51. M. Paavola, M. Kamarainen, J. A. M. Jarvinen, M. Saukoski, M. Laiho, K. A. I. Halonen. A Micropower Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 12, 2007, pp. 26512665.

52. C. K. Wang, C. S. Chen and K. A. Wen. A monolithic CMOS MEMS accelerometer with chopper correlated double sampling readout circuit // 2011 IEEE International Symposium of Circuits and Systems (ISCAS), Rio de Janeiro, 2011, pp. 2023-2026.

53. J. A. Geen, S. J. Sherman, J. F. Chang and S. R. Lewis. Single-chip surface-micromachined integrated gyroscope with 50/spl deg//hour root Allan variance // 2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers (Cat. No.02CH37315), San Francisco, CA, USA, 2002, pp. 426-427 vol.1.

54. A. Sharma, M. F. Zaman and F. Ayazi. A Sub-0.2 hr Bias Drift Micromechanical Silicon Gyroscope With Automatic CMOS Mode-Matching // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 5, 2009, pp. 1593-1608.

55. L. Prandi et al. A low-power 3-axis digital-output MEMS gyroscope with single drive and multiplexed angular rate readout // 2011 IEEE International Solid-State Circuits Conference, San Francisco, CA, 2011, pp. 104-106.

56. R. J. Baker, CMOS Mixed-Signal Circuit Design // John Wiley and Sons, New York, 2002, pp. 501.

57. R. Schreier, G.C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters // Wiley-IEEE Press, 2004, pp. 464.

58. P.W. Loveday, C.A. Rogers. The Influence Of Control System Design On The Performance Of Vibratory Gyroscopes // Journal of Sound and Vibration, Volume 255, Issue 3, 2002, pp. 417-432.

59. B. Vakili Amini, R. Abdolvand, F. Ayazi. A 4.5-mW Closed-Loop Micro-Gravity CMOS SOI Accelerometer // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, 2006, pp. 2983-2991.

60. S. R. Chiu, C. Y. Sue, L. P. Liao, L. T. Teng, Y. W. Hsu and Y. K. Su. A fully integrated circuit for MEMS vibrating gyroscope using standard 0.25um CMOS process

// 2011 6th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), Taipei, 2011, pp. 315-318.

61. E. Tatar, S. E. Alper and T. Akin, Quadrature-Error Compensation and Corresponding Effects on the Performance of Fully Decoupled MEMS Gyroscopes // Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 21, no. 3, 2012, pp. 656-667.

62. Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, Robert G. Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits // New York, John Wiley & Sons, INC, 2000, 873 c.

63. R. J. Baker. CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation // John Wiley & Sons, 2005, 1038 c.

64. L. Aaltonen, A. Kalanti, M. Pulkkinen, M. Paavola, M. Kamarainen, K. A. I. Halonen. A 2.2 mA 4.3 mm ASIC for a 1000/s 2-Axis Capacitive Micro-Gyroscope // in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 46, no. 7, pp. 1682-1692, July 2011.

65. Bode Plot S-Plane Review// Worcester Polytechnic Institute. Режим доступа: http://users.wpi.edu/.

66. Timoshenko A., Tafintsev K., Lomovskaya K., Lisov A. Analog-Controlled Feedback for Predistortion of GaN Power Amplifier // Proceedings of 2015 9th International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT). - Rostov-on-Don, Russia, 14-16 October 2015, pp. 352-355.

67. A. Sharma, M. F. Zaman and F. Ayazi. A Sub-0.2 hr Bias Drift Microelectromechanical Silicon Gyroscope With Automatic CMOS Mode-Matching // in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 5, pp. 1593-1908, May 2009.

68. Белоусов Е.О., Тимошенко А.Г., Моленкамп. К.М. Обеспечение устойчивости схемы с адаптивными компенсирующими звеньями в обратной связи // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях «СИНХРОИНФО 2016» - Самара, 2016, с. 127-130.

69. Belousov E.O., Timoshenko A.G., Molenkamp K.M.. Stabilization and noise suppression method for adaptive feedback circuits // 2016 International Conference on Control, Instrumentation, Communication & Computational Technologies (ICCICCT-2016), 16-17 December 2016, pp. 507-511.

70. Белоусов Е.О. Метод подавления шумов схемы обработки микроэлектромеханического датчика угловой скорости // Труды МАИ, №90, 2016.

71. Norman S. Nise, Control Systems Engineering // John Wiley & Sons, Inc, 2000, 992c.

72. G. Wegmann; E. A. Vittoz; F. Rahali, Charge Injection in Analog MOS Switches// IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 22, no. 6, pp 1091-1097, 1987.

73. C. Eichenberger; W. Guggenbuhl, On charge injection in analog MOS switches and dummy switch compensation techniques// IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, no. 2, pp 256-264, 1990.

74. J. -H. Shieh; M. Patil; B. J. Sheu, Measurement and analysis of charge injection in MOS analog switches// IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 22, no. 2, pp 277-281, 1987.

75. Introduction to Switched-Capacitor Circuits // UCLA engineering. Режим доступа: http://www.seas.ucla.edu/.

76. R. Gregorian and G. C. Temes, Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing// John Wiley and Sons, New York, 1986.

77. K.Kundert. Introduction to RF Simulation and its Application // Режим доступа: http://www.designers-guide.org/.

78. K.Kundert. Simulating Switched-Capacitor Filters with SpectreRF // Режим доступа: http://www.designers-guide.org/.

79. G. De Geronimo, P O'Connor, A. Kandasamy. Analog CMOS Peak Detect and Hold Circuits. Part 1. Analysis of the Classical Configuration // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2002, pp 533-543.

80. S. M. Zhak, M. W. Baker and R. Sarpeshkar. A low-power wide dynamic range envelope detector // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 10, 2003, pp. 1750-1753.

81. J.P. Alegre, S. Celma, M.T. Sanz, P. Martinez, A Low-Ripple Fast-Settling CMOS Envelope Detector // 2006 Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics, Otranto, 2006, pp. 9-12.

82. J. P. Alegre, S. Celma, B. Calvo and J. M. G. del Pozo, A Novel CMOS Envelope Detector Structure // 2007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, New Orleans, LA, 2007, pp. 3538-3541.

83. M. W. Kruiskamp, D. M. W. Leenaerts. A CMOS peak detect sample and hold circuit // IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 41, no. 1, 1994, pp. 295-298.

84. D. Jones, K. Martin. Analog Integrated Circuit Design // John Wiley & Sons, 2013, 792 с.

85 Старосельский В. И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники М.: Юрайт высшее образование, 2009 - 465 с.

86. T. H. Lee. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits // Cambridge University Press, 2001, 598 c.

87. F. Ellinger, Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies // Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, p. 516.

88. Y. Nemirovsky, I. Brouk, C.G. Jakobson, 1/f Noise In CMOS Transistors For Analog Applications // IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 48, no. 5, pp. 921-927, 2001.

89. M. Degrauwe, E. Vittoz and I. Verbauwhede. A Micropower CMOS-Instrumentation Amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 20, no. 3, 1985, pp. 805-807.

90. G. Massobrio, P. Antognetti, Semiconductor Device Modeling with Spice// McGraw-Hill, Inc, 1993, pp. 479.

91. B. Razavi. RF Microelectronics // Prentice Hall PTR, 1998, 345 c.

92. J.E. Solomon, The Monolithic Op Amp: A Tutorial Study // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 9, no. 6, pp. 314-332, Dec. 1974.

93. P. R. Gray and R. G. Meyer, MOS operational amplifier design-a tutorial overview // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 17, no. 6, pp. 969-982, Dec. 1982.

94. Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, Robert G. Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits // New York, John Wiley&Sons, INC, 2000, 873c.

95. G. Erdi. Amplifier techniques for combining low noise, precision, and highspeed performance // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 16, no. 6, 1981, pp. 653661.

96 V. Saxena, Indirect Feedback Compensation Techniques for Multi-Stage Operational Amplifiers. Master thesis - Boise State University, 2007.

97. K.L. Leung, P.K.T. Mok. Analysis of Multistage Amplifier-Frequency Compensation // Circuits and Systems, vol. 48, no. 9, September 2001.

98. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 220 с.

99. Belousov E.O., Timoshenko A.G., Lomovskaya K.M. Low Noise Amplifier for MEMS Gyroscope Readout Circuit // Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, February 2-3, 2016, pp. 532-535.

100 R. R. Harrison. A Low-Power Low-Noise CMOS Amplifier for Neural Recording Applications // IEEE Journal of Solid-State Circuits, NO. 6, June 2003.

101. R. R. Harrison. A Versatile Integrated Circuit for the Acquisition of Biopotentials // 2007 IEEE Custom Integrated Circuits Conference, San Jose, CA, 2007, pp. 115-122.

102. M. Shojaei-Baghini, R. K. Lal, D. K. Sharma, An ultra low-power CMOS instrumentation amplifier for biomedical applications// Biomedical Circuits and Systems, 2004 IEEE International Workshop on, pp. S1/1 - S1.

103. Yi-Qiang Zhao, A. Demosthenous, R. H. Bayford, A CMOS instrumentation amplifier for wideband bioimpedance spectroscopy systems// 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 5082, 2006.

104. A. A. Silverio; Wen-Yaw Chung; V. F. S. Tsai, A low power high CMRR CMOS instrumentation amplifier for Bio-impedance Spectroscopy// Bioelectronics and Bioinformatics (ISBB), 2014 IEEE International Symposium on, pp. 1-4, 2014.

105. C.C Enz, G.C. Temes. Circuit Techniques for Reducing the Effects of Op-Amp Imperfections: Autozeroing, Correlated Double Sampling, and Chopper Stabilization // Proceedings of the IEEE, Vol. 84, NO. 11, November 1996.

106. M. Belloni, E. Bonizzoni, A. Fornasari and F. Maloberti. A Micropower Chopper—CDS Operational Amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 12, 2010, pp. 2521-2529.

107. R. Burt. A Micropower Chopper-Stabilized Operational Amplifier Using a SC Notch Filter With Synchronous Integration Inside the Continuous-Time Signal Path // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, December 2006.

108. R. Wu, K.A.A. Makinwa, J.H. Huijsing. A Chopper Current-Feedback Instrumentation Amplifier With a 1 mHz 1/f Noise Corner and an AC-Coupled Ripple Reduction Loop // IEEE Journal Of Solid-State Circuits, Vol. 44, No. 12, December 2009

109. X. Yang, Y. Zhang, W. w. Huang and C. d. Ling. Low power chopper amplifier without LPF // 2010 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, Kuala Lumpur, 2010, pp. 17-19.

110. Баринов, В. В., Круглов Ю. В., Тимошенко А.Г., Телекоммуникационные системы на кристалле: Основы схемотехники КМДП аналоговых ИМС: Уч. Пособие. - М.: МИЭТ, 2007. - 236 с.

111. B. Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuits // McGraw-Hill,

684 p.

112. M. Degrauwe, E. Vittoz, I. Verbauwhede. A Micropower CMOS-Instrumentation Amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 20, no. 3, 1985, pp. 805-807.

113. R. Wu et al. Precision Instrumentation Amplifiers and Read-out Integrated Circuits, Analog Circuits and Signal Processing // Springer Science, 2013, 196 с.

114. Y. Kusuda. Auto Correction Feedback for Ripple Suppression in a Chopper Amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 8, 2010, pp. 1436-1445.

115. R. Wu, K. A. A. Makinwa and J. H. Huijsing. A Chopper Current-Feedback

Instrumentation Amplifier With a 1 mHz Noise Corner and an AC-Coupled Ripple Reduction Loop // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 12, 2009 pp. 32323243.

116. R. Burt and J. Zhang. A Micropower Chopper-Stabilized Operational Amplifier Using a SC Notch Filter With Synchronous Integration Inside the Continuous-

Time Signal Path // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, 2006, pp. 27292736.

117. Y. Kusuda. A 5,9 nV/VHz Chopper Operational Amplifier with 0,78 ^V Maximum Offset and 28,3 nV/°C Offset Drift // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 8, 2010, pp. 1436-1445.

118. Y. Kusuda. A 5.6 nV/VHz Chopper Operational Amplifier Achieving a 0.5 ^V Maximum Offset Over Rail-to-Rail Input Range with Adaptive Clock Boosting Technique // IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol.PP, no.99, pp.1-10.

119. J. F. Witte, K. A. A. Makinw a and J. H. Huijsing. A CMOS Chopper Offset-Stabilized Opamp // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 7, 2007, pp. 1529-1535.

120. I. G. Finvers, J. W. Haslett, F. N. Trofimenkoff. A high temperature precision amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 30, no. 2, 1995, pp. 120-128.

121. M. C. W. Coln. Chopper stabilization of MOS operational amplifiers using feed-forward techniques // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 16, no. 6, 1981, pp. 745-748.

122. Linear Technology. Linear Data Book // Режим доступа: https://archive.org/details/LinearDatabookVolume11990.

123. Баринов, В. В., Круглов Ю. В., Тимошенко А.Г., Телекоммуникационные системы на кристалле: Проектирования АЦП и ЦАП для систем цифровой связи: Уч. Пособие. - М.: МИЭТ, 2008. - 164 с.

124. I. G. Finvers, J. W. Haslett and F. N. Trofimenkoff, "A high temperature precision amplifier," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 30, no. 2, 1995, pp. 120-128.

125. B.D. Rosenthal, R.I. Gray. Precisely adjustable voltage controlled current mirror amplifier // US Patent 4605907, August 1986.

126. C. G. Yu and R.I. Geiger. Precision offset compensated Op-Amp with ping-pong control // GOMAC-92 digest, 1992, pp. 189-190.

127. H. A. Leopold, G. Winkler, P. O'Leary, K. Ilzer and J. Jernej. A monolithic CMOS 20-b analog-to-digital converter // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 26, no. 7, 1991, pp. 910-916.

128. J. H. Atherton and H. T. Simmonds. An offset reduction technique for use with CMOS integrated comparators and amplifiers // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 27, no. 8, 1992, pp. 1168-1175.

129. Y. Zheng, J. Yan, Y. Xu. A CMOS VGA With DC Offset Cancellation for Direct-Conversion Receivers // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers, vol. 56, no. 1, 2009, pp. 103-113.

130. Q-H. Duong, Q. Le, C-W. Kim, S-G. Lee. A 95-dB Linear Low-Power Variable Gain Amplifier // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers, vol. 53, no. 8, 2006, pp. 1648-1657.

131. T. Yamaji, N. Kanou, T. Itakura. A Temperature-Stable CMOS Variable-Gain Amplifier With 80-dB Linearly Controlled Gain Range// IEEE Journal of SolidState Circuits, vol. 37, no. 5, 2002, pp. 553-558.

132. M. A. I. Mostafa, S. H. K. Embabi and M. A. I. Elmala. A 60 dB, 246 MHz CMOS variable gain amplifier for subsampling GSM receievers // Int. Symposium on Low Power Electronics and Design, 2001, pp. 117-122.

133. Y. Liao, Z. Tang, H. Min. A Wide-band CMOS Low-Noise Amplifier for TV Tuner Applications // IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, 2006, pp. 259262.

134. R. Harjani. A low power CMOS VGA for 50 Mb/s disk drive read channels // IEEE Trans. Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 42, no. 6, 1995, pp. 370 - 376.

135. Q-H. Duong, T.K. Nguyen, S-G. Lee. CMOS exponential current-to-voltage circuit based on newly proposed approximation method // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Syst., May 2004, pp. II.865-II.868

136. M. Kumngern, J. Chanwutitum, K. Dejhan. Simple CMOS Current-Mode Exponential Function Generator Circuit // 5th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, May 2008, pp. 709-712.

137. O. Watanabe, S. Otaka, M. Ashida, and T. Itakura. A 380-MHz CMOS li-near-in-dB signal-summing variable gain amplifier with gain compensation techniques for CDMA systems // Dig. Tech. Papers IEEE Symp. VLSI Circuits, 2002, pp. 136-139.

159

138. Y. Fujimoto, H. Tani, M. Maruyama, H. Akada, H. Ogawa, and M. Miyamoto. A low-power switched-capacitor variable gain amplifier // IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 7, Jul. 2004, pp. 1213-1216.

139. F.N.K. Op't Eynde, P.F.M. Ampe, L. Verdeyen, W.M.C. Sansen. A CMOS Large-Swing Low-distortion Three-Stage Class AB Power Amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits, NO. 1, February 1990.

140. C-W Lu, Y-C Shen, M-L Sheu. A high-driving class-AB buffer amplifier with a new pseudo source follower // Very Large Scale Integration, 2007. VLSI - SoC 2007.

141. S. Yoon. LC-tank CMOS Voltage-Controlled Oscillators using High Quality Inductors Embedded in Advanced Packaging Technologies: PhD thesis. - Georgia Institute of Technology, 2004.

142. J. F. Kukielka and R. G. Meyer. A high-frequency temperature-stable monolithic VCO // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 16, no. 6, Dec. 1981. pp. 639647.

143. M. H. Wakayama, A. A. Abidi. A 30-MHz low-jitter high-linearity CMOS voltage-controlled oscillator // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 22, no. 6, Dec 1987, pp. 1074-1081.

144. M. J. S. Smith, J. D. Meindl. Exact analysis of the Schmitt trigger oscillator // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 19, no. 6, Dec 1984, pp. 1043-1046.

145. Z. Wang. CMOS adjustable Schmitt triggers // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 40, no. 3, Jun 1991, pp. 601-605.

146. J. Raman, E. Cretu, P. Rombouts and L. Weyten, "A Closed-Loop Digitally Controlled MEMS Gyroscope With Unconstrained Sigma-Delta Force-Feedback," in IEEE Sensors Journal, vol. 9, no. 3, pp. 297-305, March 2009.

147. Коновалов С. Ф., Пономарев Ю. А., Майоров Д. В., Подчезерцев В. П., Сидоров А. Г. Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. №10. URL: http://cyberleninka.ru/article/n777-30569-219257-gibridnye-mikroelektromehanicheskie-giroskopy-i-akselerometry (дата обращения: 09.03.2017).

Заказная интегральная схема обработки сигналов с гироскопа

Рисунок А.1 - Топологический чертеж разработанной ИС обработки сигнала с

гироскопа

LNA\_in1 О

LNA1_in2 О

LNA2_in1 О

LNA\_out1 О

modljn О-

Ii1

mod\_out P -О

Ф16

LNA1_out2 mod2 in

O

LNA2_in2 O

LNA2_out1 О

Ф26

mod3_in

о—

PA1_out1 О

PA1_out2 О

PA2_out1 О

PA2_out2 О

LNA2_out2 О

Ф3б

mod4_in О-

PA1_in О

PA2_in О

VCO Vcontrol О-

1,8 В

ИОН

1,2 В

-О

-О

<!Г

ОУ

mod2_out > -О

mod3_out -О

JT

ОУ

mod4_out -О

ч!Г

ОУ

ОУ

outpVCO

Divider

О О О О

ф0 ф90 ф 180 ф270

Рисунок А.2 - Функциональная схема разработанной ИС схемы обработки сигнала

с гироскопа

Заказная интегральная схема обработки сигналов с акселерометра

Рисунок Б.1 - Топологический чертеж разработанной ИС обработки сигнала с

акселерометра

dlrefHTC |GA

dl ch out ^-0 dl_sens_p

dlrefLTC

-O dl sens n

GB

dlamplout О

dlchin О-

-ЛЛЛг

dl comp RES ~0——-

dlintin О

GA

dlchout dl filtin 0 0

dl _filt_out О

-aa/V

X7

Канал 1

Канал 2 Канал 3

_control - Ref_TC

_control -

_control -

,dl refH TC

i _ _

1 dlrefLTC dlrefHTC

1

dlrefLTC d3_refH_TC

_control - filt_TC

_control -

_control -

о dbrefLTC

Формирование напряжений температурной компенсации

(I)

,dl refH TC

f _ _

1 dlrefLTC dlrefHTC

1

dlrefLTC direfHTC

° dbrefLTC

Формирование напряжений температурной компенсации (II)

VCOVcontrol О

outpVCO

l,65 В,

ИОН

l,2 В

-О

-О

GA out GB out

Рисунок Б.2 - Функциональная схема разработанной ИС схемы обработки сигнала

с акселерометра

Акты об использовании результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ

/Исполнительный директор ОАО «МКБ Компас»

Р

/ О.Л. Гуляев

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Белоусова Е. О.

Настоящим Актом подгверждается, что результаты, полученные в диссертационной работе Белоусова Е.О. «Исследование и разработка методов и адаптивных интегральных схем обработки сигналов микроэлектромеханических инерциальных датчиков» внедрены в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» нри разработке схемы обеспечения устойчивости обратной связи для внесения предыскажений, линеаризующих усилитель мощности на основе ОаИ транзисторов, работающих а диапазоне частот от 1 до 6 ГГц, изготовленных при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Разработка конструкторско-техн алогических решений создания электронной компонентной базы на широкозонных полупроводниках для современной радиоэлектронной аппаратуры в диапазоне частот 30-60 ГГц», шифр «2014-14-576-0139-011», уникальный идентификатор проекта агМЕН57514X0097; Научный руководитель Тимошенко А.Г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы

Белоусова Е. О.

Результаты кандидатской диссертации Белоусова Егора Олеговича «Исследование и разработка методов и адаптивных интегральных схем обработки сигналов микроэлектромеханических инерциальных датчиков», а именно:

методы уменьшения шума входных каскадов схсмы обработки с микроэл екгром ехан ич еских датч и ков;

модель системы обработки сигналов с МЭМС датчика, позволяющая предсказывать влияние адаптивной схемы на итоговую точность, а также динамические характеристики и стабильность петли ОС;

- метод адаптации параметров петли обратной связи схемы обработки;

- метод компенсации петли отрицательной ОС для обеспечения стабильности схемы обработки сигналов с МЭМС датчиков

используются в учебном процессе кафедры «Телекоммуникационные системы» национального исследовательского университета «МИЭТ» в практических занятиях по дисциплинам «Схемотехника телекоммуникационных устройств: аналоговые устройства», «СБИС для ТКС», «Системы на кристалле для телекоммуникаций».

Зав. Кафедрой ТКЦ^^ЕА-3 Ьахтип Л.А.