CN101424533A - Mems陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路，该补偿电路包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、同步解调电路、低通滤波器和一失调电容补偿反馈回路，该反馈回路由低通滤波器、可变增益放大器和反馈电容组成。其中，MEMS陀螺的变化电容信号经过电荷放大器放大后转换成电压信号，并且被载波调制到高频，再经过高通滤波器放大；放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号，该电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电压，反馈电容将负反馈电压耦合到电荷放大器输入端，与MEMS陀螺的变化电容信号中的失调电容信号相减，实现了失调电容的自适应补偿。

Description

MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路

技术领域

本发明是关于微电子集成电路设计及微电子MEMS领域中电容式振动陀螺检测及控制电路中的电容检测技术，具体涉及一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路。

背景技术

电容式MEMS振动陀螺在军事、工业控制、汽车及消费类电子等多个领域有着广泛的应用前景，极微小电容(通常在10^-21～10^-15法拉量级)的检测电路是电容式MEMS陀螺系统的关键组件之一。该组件由陀螺差分检测电容和C/V(Capacitance to Voltage)转换电路组成。

电荷放大器(CSA：Charge Sensitive Amplifier)是最常见的C/V转换电路之一，其检测精度主要由电路的噪声决定。MEMS陀螺的差分检测电容信号的频率等于陀螺驱动轴谐振频率，通常在几KHz到几十KHz左右，而在该频段范围内，CMOS电路中MOS管的1/f噪声是主要的噪声源，因此电容检测电路的检测精度主要由电路的1/f噪声决定。为了降低1/f噪声的影响，通常在电容检测电路中采用CHS(chopper stabilization)技术。

由于实际工艺加工的误差，陀螺差分检测电容存在失调电容(差分电容初始值之间的差别)。在采用了CHS技术的电荷放大器中，失调电容会同差分变化电容信号一起被调制、放大和解调，通常失调电容的大小远大于变化电容信号的幅度，因此失调电容会降低电容检测电路的动态范围。

传统的抑制失调电容的方法主要有两种：外加补偿电压和片上补偿电容阵列。外加补偿电压方式是通过外加幅度可调的电压信号以抵消失调电容所引入的电压输出信号，片上补偿电容阵列方式是通过在陀螺差分检测电容上并联不同大小的电容，以补偿差分检测电容之间的失调电容。外加补偿电压方式的补偿精度由外加电压幅度的精度决定的，需要外围电路来产生幅度可调的补偿电压，增加了电路系统的复杂度；片上补偿电容阵列方式的补偿精度由电容阵列的最小电容决定，要实现高精度和大范围的失调电容补偿，就需要更大的电容阵列和更多的控制信号，增加电路的复杂度和成本。由于工艺的限制，即使是同一硅片上加工出来的陀螺，其差分失调电容的大小也各不相同，因此两种传统的失调电容补偿方法都需要针对每一个陀螺进行单独的测试和校正，不利于实际应用。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路。该补偿方法无需针对每个陀螺进行单独测试和校正。

本发明的技术方案是：

一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法，其步骤包括：

1)电荷放大器将MEMS陀螺的变化电容信号放大后转换成电压信号，该电压信号被载波调制到高频，再经过高通滤波器放大；

2)放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号；

3)低通滤波器提取的电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电压，将上述负反馈电压反馈到电荷放大器输入端，与MEMS陀螺的变化电容信号中的失调电容信号相减，实现失调电容的补偿。

一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、同步解调电路和低通滤波器，电荷放大器，用于完成C/V转换以及调制；高通滤波器，用于完成信号放大及滤波；同步解调电路，用于完成信号同步解调；以及低通滤波器，用于对同步解调后的信号滤波，其特征在于，还包括一失调电容补偿反馈回路，该反馈回路由低通滤波器、可变增益放大器和反馈电容组成，其中，低通滤波器，用于对同步解调后的信号进行分离，提取反映失调电容大小的电压信号；可变增益放大器，用于将低通滤波器提取的电压信号放大并调制到高频以产生负反馈电压；反馈电容用于将负反馈电压耦合到电荷放大器的输入端。

可变增益放大器为一模拟乘法器。

同步解调电路可为一同步开关解调电路。

同步解调电路可为一模拟乘法器。

进一步，上述失调电容的补偿电路还包括一正弦波发生器和一高速比较器，正弦波发生器用于产生高频正弦载波，高速比较器用于产生与高频正弦载波同步的解调方波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

对于每一个陀螺来说，失调电容为一个固定值，可以等效为直流输入信号，而变化电容信号等效为交流输入信号(频率等于陀螺驱动轴的谐振频率)，因此可以通过滤波在频域将失调电容信号和变化电容信号分离。利用乘法器将分离出的失调电容信号再次经过载波调制到高频，然后将调制后的高频信号负反馈到电荷放大器的输入端，该高频信号的幅度大小与分离出的失调电容信号的幅度成正比，因此利用该负反馈机制就可以实现对失调电容的自适应补偿。

附图说明

图1为常规CSA电路的电路图；

图2为具有失调电容自适应补偿功能的CSA电路的原理图；

图3为失调电容自适应补偿的一种具体实现的电路图；

图4为简化的失调电容自适应补偿的系统原理图；

图5为常规电荷放大器在存在失调电容时的输出波形；

图6为本发明所提出的电荷放大器在存在失调电容时的输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参考图1，C_sp和C_sn为陀螺差分检测电容，C₀+C_off和C₀-C_off为差分检测电容的初始值，C_off为差分检测电容的失调电容，C_s为差分检测电容的变化电容量，CLK/VAC是与高频载波V_ac同步的同步解调方波。C_f、R_f和AMP1组成电荷放大器，C_f2、R_f2和ICMFB组成输入共模反馈电路，C₁、C₂、R₂和AMP2组成高通滤波器。

电荷放大器的输出为

$V_{\mathrm{OP}1\left(t\right)}-V_{\mathrm{ON}1\left(t\right)}=\frac{V_{\mathrm{ac}\left(t\right)}2(C_{s\left(t\right)}+C_{\mathrm{off}})}{C_f}$    式(1)

经过高通滤波器、同步解调和低通滤波器LPF后的输出为

$V_{\mathrm{out}\left(t\right)}=V_{\mathrm{OP}\left(t\right)}-V_{\mathrm{ON}\left(t\right)}=\frac{C_1}{C_2}\frac{2(C_{s\left(t\right)}+C_{\mathrm{off}})}{C_f}\×\mathrm{LPF}[V_{\mathrm{ac}\left(t\right)}\×\mathrm{sign}\left(V_{\mathrm{ac}\left(t\right)}\right)]$    式(2)

其中C₁/C₂为高通滤波器的增益，LPF()表示低通滤波操作，sign表示符号操作，sign(V_ac(t))表示产生与V_ac同步的方波信号CLK/VAC。

由式(2)可以看出，要提高电容检测的灵敏度，就需要减小电荷放大器的反馈积分电容C_f和增大高通滤波器的增益C₁/C₂，但通常失调电容C_off远大于电容变化量C_s，减小C_f和增大C₁/C₂容易使得电路的输出饱和，因此失调电容的存在会降低电容检测的动态范围，需要进行补偿。

参考图2，同步解调后的输出V_OP3和V_ON3中包含了变化电容信号和失调电容，变化电容信号的频率等于陀螺驱动轴的谐振频率，失调电容为直流量，因此通过引入低通滤波器LPF2将变化电容信号和失调电容分离，使得V_fp1和V_fn1只包含失调电容，低通滤波器LPF1滤除V_OP3和V_ON3中的高频分量。通过可变增益放大器将V_fp1和V_fn1放大、重新调制到高频后产生负反馈电压V_fp2和V_fn2，并经过反馈电容C_of将负反馈电压耦合到电荷放大器的输入，最终将失调电容所引起的输出电压信号从电荷放大器的输出VOP1和VON1中抵消掉，从而实现对失调电容的补偿。失调电容越大，则负反馈电压V_fp1和V_fn1越大，反之失调电容越小，则负反馈电压V_fp1和V_fn1越小，因此由电荷放大器、高通滤波器、同步开关解调、低通滤波器LPF2、可变增益放大器组成的负反馈环路实现了对失调电容的自适应补偿。在失调电容的补偿过程中不需要额外进行测试调节，而且补偿的效果由负反馈环路的增益决定，因此该方法相对于传统的失调电容补偿方法更具有实用性。

参考图3，本发明所提出的失调电容自适应补偿的一种具体实现的电路图，其中可变增益放大器可以采用模拟乘法器实现。在失调电容自适应补偿的整个过程中，主要考察的是变化电容信号和失调电容的幅度，因此图3所示的电路图可以简化成图4所示的失调电容自动补偿的原理图。电容变化量C_s和失调电容C_off经过载波调制和电荷放大器的放大后，幅度被放大V_ac/C_f倍，然后经过高通滤波器放大K₂(等于C₁/C₂)倍，再经过同步解调和低通滤波器LPF2提取反映失调电容大小的电压信号V_off，然后通过VGA(由乘法器实现)放大K_VGA×V_ac倍(K_VGA为VGA的增益与控制电压之间的比例系数)，最后反馈电压V_f在电荷放大器输出端实现与输入的变化电容信号和失调电容信号的相减，从而形成一个负反馈回路对失调电容的自适应补偿，其中2/π为同步解调的系数。

从变化电容C_s和失调电容C_off到输出V_out的传输函数为

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{C_s+C_{\mathrm{off}}}=\frac{\frac{V_{\mathrm{ac}}}{C_f}{K}_2\frac{2}{\mathrm{\π}}}{1+\frac{2}{\mathrm{\π}}H\left(S\right)V_{\mathrm{ac}}{K}_{\mathrm{VGA}}{K}_{f2}{K}_2}$

其中H(S)为低通滤波器2的传输函数，V_offset为VGA的失调电压，令

$K_1=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{C_f}\frac{2}{\mathrm{\π}}$

$K_3=\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{ac}}{K}_{\mathrm{VGA}}{K}_{f2}$

$H\left(S\right)=\frac{1}{\mathrm{\τS}+1}$

其中τ为低通滤波器的时间常数。则有

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{C_s+C_{\mathrm{off}}}=\frac{K_1{K}_2}{1+H\left(S\right)K_3{K}_2}=\frac{K_1{K}_2}{1+K_3{K}_2}\frac{\mathrm{\τS}+1}{\frac{\mathrm{\τS}}{1+K_3{K}_2}+1}$    式(3)

从VGA失调电压V_offset到输出V_out的传输函数为

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{offset}}}=-\frac{V_{\mathrm{ac}}{K}_{\mathrm{VGA}}{K}_{f2}{K}_2\frac{2}{\mathrm{\π}}}{1+\frac{2}{\mathrm{\π}}H\left(S\right)V_{\mathrm{ac}}{K}_{\mathrm{VGA}}{K}_{f2}{K}_2}=-\frac{K_3{K}_2}{1+H\left(S\right)K_3{K}_2}=-\frac{K_3{K}_2}{1+K_3{K}_2}\frac{\mathrm{\τS}+1}{\frac{\mathrm{\τS}}{1+K_3{K}_2}+1}$   式(4)

由式(3)可知，变化电容和失调电容到输出的传输函数具有高通的特性，因此该系统可以抑制失调电容的影响；由式(4)可知，VGA的失调电压到输出的传输函数也具有高通的特性，因此该系统对VGA输入失调电压不敏感。

以下通过一具体实施例详细描述本发明所提供的失调电容的补偿方法的技术效果：

取电容初始值为1pF，失调电容为0.5pF，电容变化量的幅度为1fF，频率为3KHz，载波幅度1.6V，频率为2MHz。

当没有采用失调电容自适应补偿时，最终的输出电压参考图5所示。从图中可以看出，输出信号中包含了一个近似为16.25伏的直流分量，该直流分量反映的是失调电容的大小；输出信号中还包含一个幅度近似为130mV、频率为3KHz的交流信号，该交流分量反映的是变化电容信号。直流信号的幅度已大大超出常规CMOS电路的电压范围，因此在实际的电路中，失调电容的存在会使得电路出现饱和，从而不能正常工作。

当采用失调电容自适应补偿时，最终输出电压参考图6所示。从图中可以看出，输出信号中的直流分量近似为1.5mV，交流信号的幅度近似为130mV，因此采用本发明后，失调电容的影响得到有效的抑制，而有用的变化电容信号不会受到衰减。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (6)

1、一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法，其步骤包括：

1)电荷放大器将MEMS陀螺的变化电容信号放大后转换成电压信号，该电压信号被载波调制到高频，再经过高通滤波器放大；

2)放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号；

3)低通滤波器提取的电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电压，将上述负反馈电压反馈到电荷放大器输入端，与MEMS陀螺的变化电容信号中的失调电容信号相减，实现失调电容的补偿。

2、一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、同步解调电路和低通滤波器，电荷放大器，用于完成信号的C/V转换以及调制；高通滤波器，用于完成信号放大及滤波；同步解调电路，用于完成信号同步解调；以及低通滤波器，用于对同步解调后的信号滤波，其特征在于，还包括一失调电容补偿反馈回路，该反馈回路由低通滤波器、可变增益放大器和反馈电容组成，其中，低通滤波器，用于对同步解调后的信号进行分离，提取反映失调电容大小的电压信号；可变增益放大器，用于将低通滤波器提取的电压信号放大并调制到高频以产生负反馈电压；反馈电容用于将负反馈电压耦合到电荷放大器的输入端。

3、如权利要求2所述的MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，其特征在于，可变增益放大器为一模拟乘法器。

4、如权利要求2或3所述的MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，其特征在于，同步解调电路为一同步开关解调电路。

5、如权利要求2或3所述的MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，其特征在于，同步解调电路为一模拟乘法器。

6、如权利要求2所述的MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，其特征在于，还包括一正弦波发生器和一高速比较器，正弦波发生器用于产生高频正弦载波，高速比较器用于产生与高频正弦载波同步的解调方波。

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