High-stability gyroscope demodulation: a comparative study of integrator and PLL-based architectures for thermal robustness with DLL-based phase offset suppression

High-precision MEMS gyroscopes generally require a 90° phase shifter within the drive loop to compensate for the phase shift introduced by the charge amplifier, in order to sustain the oscillation of the drive mode. The design of these two stages is quite challenging to master, since the output signal of the phase shifter is also used in the synchronous demodulation process of the gyroscope, where it is multiplied by the sense signal to obtain an output baseband voltage proportional to the angular rate. It is therefore of paramount importance for the two waveforms to be aligned as much as possible, considering temperature drifts and process variability, to reject quadrature and phase errors. This master thesis proposes two different approaches to perform the 90° phase shift: with a fully differential analog integrator, or with a Phase-Locked Loop (PLL). A description of both designs is provided, investigating optimization techniques aimed at reducing the 90° phase shift temperature drift. The key performances of each approach are compared, highlighting merits and disadvantages. Additionally, this master thesis proposes, for the PLL-based architecture, a novel electronic circuit based on a Delay-Locked Loop (DLL), devoted to performing a phase alignment of the drive and sense signals, bypassing phase offsets between the two for optimal demodulation. A description of the design is presented, placing particular attention on the primary performances, as well as future developments on the integration of a digital Σ∆ modulator into a temperature calibration system, to further enhance the phase trimming resolution, and to dynamically adjust it based on temperature. Numerous simulation results demonstrate that both the analog integrator and the PLL achieve excellent stability of the 90° phase shift across the temperature range of interest, with the DLL providing fine-trimming to eliminate residual phase offsets. The architecture proposed in this work provides a robust foundation for next-generation gyroscopes, enabling an exceptionally accurate demodulation process, with negligible quadrature and phase errors.

I giroscopi MEMS ad alta precisione richiedono generalmente uno sfasatore di 90° all’interno dell’anello di drive per compensare lo sfasamento introdotto dal charge amplifier, in modo tale da sostenere l’oscillazione del modo di drive. Il design di questi due stadi presenta notevoli complessità realizzative, dato che il segnale di output dello sfasatore è utilizzato anche nel processo di demodulazione sincrona del giroscopio, dove è moltiplicato per il segnale di sense per ottenere una tensione in banda base in uscita proporzionale alla velocità angolare. L’allineamento preciso delle due onde è fondamentale per rigettare errori di fase e quadratura, specialmente a fronte di drift termici e variabilità di processo. Questa tesi magistrale propone due approcci differenti per effettuare lo sfasamento di 90°: con un integratore analogico fully differential, o attraverso un Phase-Locked Loop (PLL). Viene fornita una descrizione di entrambi i design, investigando tecniche di ottimizzazione mirate alla riduzione del drift in temperatura dello sfasamento di 90°. Vengono infine messe a confronto le principali prestazioni di ciascuno dei due approcci, evidenziandone pregi e difetti. Viene altresì proposto, per l’architettura basata sul PLL, un innovativo circuito elettronico incentrato su un Delay-Locked Loop (DLL), devoto ad allineare in fase i segnali di drive e sense, correggendo l’offset di fase tra i due per una demodulazione ottimale. Viene fornita una descrizione del design, ponendo particolare attenzione sulle prestazioni principali, così come agli sviluppi futuri sull’integrazione di un modulatore Σ∆ digitale all’interno di un sistema di calibrazione in temperatura, per migliorare ulteriormente la risoluzione del trimming di fase, e per regolarlo dinamicamente in base alla temperatura. Numerose simulazioni dimostrano che sia l’integratore analogico che il PLL raggiungono un’eccellente stabilità dello sfasamento di 90° in temperatura, mentre il DLL fornisce un trimming fine per eliminare offset di fase residui. L’architettura proposta costituisce una robusta fondazione per i giroscopi di prossima generazione, garantendo un processo di demodulazione estremamente accurato, con errori di fase e quadratura trascurabili.