A 100- to- 10-kHz 5.4- to- 216- μW Power-Efficient Readout Circuit Employing Closed-Loop Dynamic Amplifier for MEMS Capacitive Accelerometer

电容感应 加速度计 微电子机械系统 放大器 电气工程 功率(物理) 电子工程 材料科学 工程类 物理 光电子学 CMOS芯片 量子力学
作者
Longjie Zhong,Shubin Liu,Pengpeng Shang,Wenfei Cao,Zhangming Zhu
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:58 (8): 2226-2238 被引量:6
标识
DOI:10.1109/jssc.2023.3253692
摘要

Micro-electromechanical systems (MEMS) capacitive accelerometer for the Internet of Things (IoT) applications is required to operate at various sampling frequencies while keeping high power efficiency. To meet this requirement, dynamic amplifiers are used in the readout circuit of the accelerometer. However, the dynamic amplifier's open-loop gain is low and varies with the sampling frequency of the readout circuit. This significantly deteriorates the gain accuracy of the readout circuit. In this article, the dynamic-amplifier-specific oversampling successive approximation (DA-OSA) readout technique is proposed to overcome this gain variation problem and make the dynamic amplifier applicable to the readout circuit. The DA-OSA-based readout circuit is fabricated in a commercial 0.18- $\mu \text{m}$ 1.8-V CMOS process and tested with the MEMS accelerometer sensing element. The measurement results show that, with the sampling frequency varying from 10 kHz to 1 MHz, the proposed readout circuit achieves a variable signal bandwidth from 100 Hz to 10 kHz, a variable power consumption from 5.4 to $\mathrm {216}\mu \mathrm {W}$ , and a low gain variation of 1.2%.
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