基于MEMS陀螺仪前端读出线路的噪声分析与抑制方法
引言
微机械系统(MEMS)陀螺仪是惯性测量单元(IMU)的核心部件，广泛应用于工业机器人、无人机和无人车等领域。线路噪声显著影响陀螺仪的零偏稳定性和角度随机游走(ARW)等性能指标。本文探讨MEMS陀螺仪读出线路的噪声分析和抑制方法，重点介绍实际实施技术和实验验证[1]。
1
线路设计与噪声分析
前端读出线路是MEMS陀螺仪和后续信号处理阶段之间的主要接口。传统读出线路包括差分驱动信号、检测电容和跨阻放大器。该线路检测与角速度成比例的微小电容变化。
图1展示了具有前馈耦合补偿控制的前端读出线路示意图，包括差分检测电容、读出线路和耦合补偿等关键部件。
读出线路中的噪声源包括运算放大器输入噪声电压、输入噪声电流和电阻热噪声。全面的噪声模型有助于识别主要贡献者并制定有效的抑制策略。
图2展示了具有前馈耦合补偿控制的前端读出线路噪声模型，显示各种噪声源及其相互作用。
2
线路优化技术
一种有效的噪声抑制方法是在读出线路中使用T型电阻网络。该配置在保持相同跨阻的同时减少总体噪声贡献。
图3展示了基于T型电阻网络的改进型前端读出线路示意图，演示了用于提高噪声性能的改进架构。
噪声分析还扩展到其他关键模拟线路，如反相放大器和滤波器。仔细的元件选择和参数优化对实现最佳性能非常重要。
图4展示了基于T型电阻网络的改进型前端读出线路的噪声分析，详细说明了优化设计中的各种噪声源。
3
实验结果
通过测试不同的电阻方案和测量输出噪声特性，对理论分析进行了实际验证。实验证明通过线路优化可显著提高噪声性能。
图5显示了使用LabVIEW软件对不同电阻配置的输出噪声信号测量，展示了各种参数组合如何影响噪声水平。
图6展示了MEMS陀螺仪的检测和控制系统，包括模拟线路、数字线路和MEMS陀螺仪部件。
优化的线路设计在关键性能指标上实现了显著改进。实验结果表明输出噪声降低，稳定性提高。
图7展示了陀螺仪优化前后的输出噪声谱，证明了噪声显著降低。
图8展示了陀螺仪优化前后的艾伦方差曲线，显示了零偏稳定性和角度随机游走的改进。
4
性能结果
噪声抑制技术的实施带来了显著改进：
输出噪声从60 μV/Hz1/2降低到30 μV/Hz1/2
零偏稳定性从3.8 deg/h提高到1.38 deg/h
ARW从0.035 deg/h1/2提高到0.018 deg/h1/2
这些结果验证了所提出的噪声分析和抑制方法的有效性。优化的线路设计展示了在高性能MEMS陀螺仪应用中的实用可行性。
5
结论
本文介绍了MEMS陀螺仪读出线路的全面噪声分析和抑制技术。T型电阻网络的实施和优化的元件选择在保持所需功能的同时有效降低了线路噪声。实验结果证实关键性能指标得到显著提高，这些技术对开发高精度MEMS陀螺仪具有重要价值。
参考文献
[1] C. He, Y. Xu, X. Wang, H. Wu, L. Cheng, G. Yan, and Q. Huang, "Noise Analysis and Suppression Methods for the Front-End Readout Circuit of a Microelectromechanical Systems Gyroscope," Sensors, vol. 24, no. 19, p. 6283, Sep. 2024, doi: 10.3390/s24196283.
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