CN103018485B

CN103018485B - Σ-δ微加速度计接口asic芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路

Info

Publication number: CN103018485B
Application number: CN201210511274.8A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 徐宏林; 尹亮; 吕炳均; 付强; 李拓; 王庆一; 李强
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103018485A

Abstract

Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路，属于MEMS惯性器件领域，本发明为解决现有的Σ-Δ微加速度计存在的问题。本发明方案：当有外界加速度信号作用于微机械加速度计敏感结构时，质量块偏离平衡位置，在上下极板分别施加周期方波激励信号V⁺、V^-，机械加速度计敏感结构输出电荷信号。电荷信号经过电荷电压转换单元、前级放大单元、相关双采样与采样保持单元后输出电压信号V_dis。电压信号V_dis经过Σ-Δ调制器单元输出差分的位流信号Out_p和Out_n。位流信号分别通过参考电压+V_ref或-V_ref同V_dis进行运算，得到线性化的反馈电压V_f，并施加于敏感结构质量块上。

Description

Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路

技术领域

本发明涉及Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路，属于MEMS惯性器件领域。Σ-Δ是一种调制技术，该调制技术涉及的Sigma-Delta调制器是给1个Delta调制器的前端加上环路滤波器并把其放入环路中来构成的，在简单的情况下，积分器可被用作环路滤波器，因此，一般的Sigma-Delta调制器主要是由前端的积分器、1位A/D及反馈环路中的1位D/A来组成。由于该系统包括1个Delta调制器和1个积分器，积分器实际起到求和的作用，相当于数学符号中Σ的功能，Sigma-Delta调制器因而得名，这个系统常被简写为Σ-Δ调制器。

背景技术

微机械加速度计是目前市场应用最广泛的传感器之一，微机械加速度计具有体积小、重量轻、可靠性高以及可批量生产等优点，在军事和民用方面都有着广阔的应用前景。直接数字输出是目前MEMS传感器发展的趋势，直接数字输出能够有效的降低应用系统的设计成本，并降低设计难度。利用Σ-Δ技术的微机械加速度计不仅能直接实现数字输出的需要，而且能够实现微加速度计闭环工作，增加系统的线性度、带宽和动态范围。在高性能应用领域，对于Σ-Δ微机械加速度计的输出精度要求越来越高，静电力反馈的非线性对输出精度的影响越来越显著。目前人们对Σ-Δ微机械加速度计静电力反馈的非线性进行了大量的研究，但提出的改进措施较少。

图2显示了现有的一种基于极板静电力反馈的线性化电路，由敏感结构、电荷拾取电路、解调低通滤波器、电压放大电路、加法器、开关等组成。该电路虽然实现了基于极板静电力反馈的线性化，但具有以下缺点：

1）不适用于基于质量块静电力反馈的Σ-Δ微加速度计接口ASIC电路；

2）该线性化电路由电压放大电路、加法器、开关等组成，功耗高，占用芯片面积大；

3）该线性化电路由于基于极板双路反馈的方式，线性化的精度依赖于施加于极板的反向激励电压的对称性，而电路中很难得到高度精确的完全反向的激励信号。

综上，现有的Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于极板静电力反馈的线性化电路，存在功耗高、占用芯片面积大、不适用于基于质量块静电力反馈和线性化的精度依赖于施加于极板的反向激励电压的对称性等缺点。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于极板静电力反馈的线性化电路，存在功耗高、占用芯片面积大、不适用于基于质量块静电力反馈和线性化的精度依赖于施加于极板的反向激励电压的对称性的问题，提供了一种Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路。

本发明所述Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路，它包括微机械加速度计敏感结构、电荷电压转换单元、前级放大单元、相关双采样与采样保持单元、Σ-Δ调制器单元和静电力反馈线性化单元，

微机械加速度计敏感结构的质量块与电荷电压转换单元的输入端相连；

电荷电压转换单元的输出端与前级放大单元的输入端相连；

前级放大单元的输出端与相关双采样与采样保持单元的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元的输出端与Σ-Δ调制器单元的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元的输出端同时与静电力反馈线性化单元的输入端相连；

静电力反馈线性化单元的输出端与微机械加速度计敏感结构的质量块反馈端相连；

Σ-Δ调制器单元的输出端输出差分的位流信号Out_n和Out_p。

本发明的优点：本发明基于质量块静电力单反馈，提出的单反馈线性化电路单元仅由一个放大器、三个电阻和两个开关组成，电路简单，功耗小，占用芯片面积小，不存在线性化的精度依赖激励电压对称性的问题，适用于基于质量块静电力反馈的Σ-Δ微加速度计接口ASIC电路。

附图说明

图1是本发明所述Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路的结构示意图；

图2是背景技术中涉及的现有基于极板静电力反馈线性化的Σ-Δ微加速度计系统框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路，它包括微机械加速度计敏感结构100、电荷电压转换单元101、前级放大单元102、相关双采样与采样保持单元103、Σ-Δ调制器单元104和静电力反馈线性化单元105，

微机械加速度计敏感结构100的质量块与电荷电压转换单元101的输入端相连；

电荷电压转换单元101的输出端与前级放大单元102的输入端相连；

前级放大单元102的输出端与相关双采样与采样保持单元103的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元103的输出端与Σ-Δ调制器单元104的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元103的输出端同时与静电力反馈线性化单元105的输入端相连；

静电力反馈线性化单元105的输出端与微机械加速度计敏感结构100的质量块反馈端相连；

Σ-Δ调制器单元104的输出端输出差分的位流信号Out_n和Out_p。

电荷电压转换单元101由放大器和开关电容网络组成，通过开关控制来实现对微加速度计敏感结构100电荷信号的调制，实现电荷电压转换。

前级放大单元102由放大器和电阻组成，也可以由放大器和开关电容网络组成，实现对电荷电压转换单元101输出微弱信号的放大。

相关双采样与采样保持单元103由放大器和开关电容网络组成，通过开关控制来实现对调制信号的解调，并通过相关双采样技术来消除运放的失调和1/f噪声。由于系统处于闭环应用，微加速度计敏感结构100的质量块位移非常小，经过相关双采样与采样保持单元103解调的电压信号V_dis与质量块的位移近似成线性关系，如式（1）所示：

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

式（1）中，C₀为敏感结构100的质量块处于平衡位置时，质量块和极板之间形成的等效电容值；V_ref为系统的参考电压；

为当有外界加速度信号时质量块偏离平衡位置的位移量；C_f为电荷电压转换单元101的反馈电容；d₀为质量块处于平衡位置时，质量块和极板之间的距离。

Σ-Δ调制器单元104由放大器、开关电容网络和量化器组成，实现对信号的噪声整形和信号量化输出。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，静电力反馈线性化单元105由放大器OP、电阻R1、电阻R2、电阻R3，第一开关S1和第二开关S2组成，

第一开关S1和第二开关S2并联设置；

电阻R3并联在放大器OP的反相输入端和输出端之间；放大器OP的输出端作为静电力反馈线性化单元105的输出端；放大器OP的正相输入端接参考电压V_ref；

电阻R1的一端作为静电力反馈线性化单元105的输入端；电阻R1的另一端与放大器OP的反相输入端相连，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端相连；

电阻R2的另一端与并联设置的第一开关S1和第二开关S2的一端相连，

第一开关S1的另一端接参考电压+V_ref，第一开关S1由Σ-Δ调制器单元104输出的位流信号Out_n控制；

第二开关S2的另一端接参考电压-V_ref，第二开关S2由Σ-Δ调制器单元104输出的位流信号Out_p控制。

由Σ-Δ调制器单元104的输出差分位流信号Out_p和Out_n分别通过开关控制选择参考电压+V_ref或-V_ref同相关双采样与采样保持单元103输出信号V_dis进行运算，得到线性化的反馈电压V_f，反馈电压V_f施加于微机械加速度计敏感结构100的质量块上，实现基于质量块静电力反馈的线性化闭环应用。

如果没有静电力反馈线性化单元105，施加在敏感单元100的质量块上的电压为

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE003

，所受的静电合力如式（2）所示：

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE004

（2）

式（2）中

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE005

，由式（2）可以看出，质量块所受的反馈合力是关于质量块位移

的函数，为非线性的。

采用本实施方式技术方案，对反馈进行线性化后，反馈电压V_f如式（3）所示：

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE006

（3）

取

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE007

，

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE008

，将式（1）代入式（3），则有式（4）：

Figure 2012105112748100002DEST_PATH_IMAGE009

（4）

将式（4）的反馈电压代入（2）式中，则质量块所受的静电合力如式（5）所示：

（5）

由式（5）可以看出，质量块所受的反馈合力为线性的，与质量块的位移无关。由此可以看出，线性化电路实现了基于质量块静电力反馈的线性化。

本实施方式基于质量块静电力单反馈提出的单反馈线性化电路单元仅由一个放大器、三个电阻和两个开关组成，电路简单，功耗小，占用芯片面积小，不存在线性化的精度依赖激励电压对称性的问题，适用于基于质量块静电力反馈的Σ-Δ微加速度计接口ASIC电路。

当有外界加速度信号作用于微加速度计敏感结构100时，微加速度计敏感结构100中间的质量块偏离平衡位置，在微加速度计敏感结构100上、下极板分别施加周期的方波激励信号V⁺、V^-，微加速度计敏感结构100的质量块和上下极板之间形成的等效电容值发生改变，微加速度计敏感结构100输出电荷信号。电荷信号经过电荷电压转换单元101、前级放大单元102、相关双采样与采样保持单元103后，输出电压信号V_dis。电压信号V_dis经过Σ-Δ调制器单元104输出差分的位流信号Out_p和Out_n。位流信号Out_p和Out_n分别通过开关控制选择参考电压+V_ref或-V_ref同相关双采样与采样保持单元103输出信号V_dis进行运算，得到线性化的反馈电压V_f，反馈电压V_f施加于微加速度计敏感结构100的质量块上，实现基于质量块静电力反馈的线性化闭环应用。基于质量块的静电力反馈线性化电路能显著降低反馈因子中的非线性部分，大大降低系统输出的谐波，提高Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片的性能。

Claims

1.Σ-Δ微加速度计接口ASIC芯片中基于质量块静电力反馈的线性化电路，其特征在于，它包括微机械加速度计敏感结构（100）、电荷电压转换单元（101）、前级放大单元（102）、相关双采样与采样保持单元（103）、Σ-Δ调制器单元（104）和静电力反馈线性化单元（105），

微机械加速度计敏感结构（100）的质量块与电荷电压转换单元（101）的输入端相连；

电荷电压转换单元（101）的输出端与前级放大单元（102）的输入端相连；

前级放大单元（102）的输出端与相关双采样与采样保持单元（103）的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元（103）的输出端与Σ-Δ调制器单元（104）的输入端相连；

相关双采样与采样保持单元（103）的输出端同时与静电力反馈线性化单元（105）的输入端相连；

静电力反馈线性化单元（105）的输出端与微机械加速度计敏感结构（100）的质量块反馈端相连；

Σ-Δ调制器单元（104）的输出端输出差分的位流信号Out_n和Out_p，

静电力反馈线性化单元（105）由放大器（OP）、电阻R1、电阻R2、电阻R3，第一开关（S1）和第二开关（S2）组成，

第一开关（S1）和第二开关（S2）并联设置；

电阻R3并联在放大器（OP）的反相输入端和输出端之间；放大器（OP）的输出端作为静电力反馈线性化单元（105）的输出端；放大器（OP）的正相输入端接参考电压V_ref；

电阻R1的一端作为静电力反馈线性化单元（105）的输入端；电阻R1的另一端与放大器（OP）的反相输入端相连，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端相连；

电阻R2的另一端与并联设置的第一开关（S1）和第二开关（S2）的一端相连，

第一开关（S1）的另一端接参考电压+V_ref，第一开关（S1）由Σ-Δ调制器单元（104）输出的位流信号Out_n控制；

第二开关（S2）的另一端接参考电压-V_ref，第二开关（S2）由Σ-Δ调制器单元（104）输出的位流信号Out_p控制。