CN103048922A - 基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器电路，涉及集成电路技术，由一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络构成，同时实现减法和比例积分运算功能。运算跨导放大器将输入信号(Vin)和参考信号(Vref)作差后输出误差电流信号(Ie)，误差电流信号通过电阻电容网络进行比例和积分运算，并输出电压信号(Vout)。通过改变电阻电容网络中的电阻值R1和电容值C，分别调节控制器的比例系数和积分系数。或通过调节运算跨导放大器的等效跨导值gm同时调节控制器的比例系数和积分系数。本发明的控制器相比传统的控制器结构，在保证其参数可调性的情况下，减小了控制器的芯片面积和功耗。

Description

基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是一种微机械陀螺驱动环路等控制系统中比例积分控制器的集成电路设计。

背景技术

由于微机械陀螺在惯性导航、汽车电子和娱乐电子等领域的广泛应用，国际学术界和工业界对它的关注和研究日益升温。大部分的微机械陀螺的工作原理是基于科里奥利(Coriolis)耦合效应，即将驱动模态的能量通过科里奥利力传递到检测模态。由于陀螺只有在驱动模态以恒定的速度振动时，外界的角速度才与检测到的科里奥利力成正比，因此需要在驱动电路设计时加入幅度控制模块控制陀螺在驱动方向以恒定的速度振荡。一般常用的陀螺驱动电路的系统框图如图1所示，跨阻放大器将陀螺驱动反馈极板上的变化电容信号转变成电压信号，其他模块(包括整流器、低通滤波器、减法器、比例积分放大器和可变增益放大器)构成幅度控制环路，自动调节施加在驱动极板上电压的大小，从而控制陀螺在外界环境变化时仍然能在驱动方向以恒定速度振荡。但是，幅度控制环路会引入稳定性问题。为解决稳定性问题和获得良好的环路瞬态响应，比例积分控制器常被加入幅度控制环路中。

由于陀螺加工工艺的误差和应用环境的差异会造成陀螺参数变化剧烈，因此在设计比例积分控制器时需保证其比例系数和积分系数的可调范围能覆盖陀螺的参数变化范围。实现图1虚线框中减法器和比例积分放大器的传统方法为运算放大器搭配电容电阻的方法，如图2所示。比例积分放大器的比例系数可以通过调节R1和R2的比值实现，而积分系数可以通过调节R3的阻值和C2的电容值实现。但传统方法在采用集成电路实现时有如下缺陷：首先为保证比例系数和积分系数的连续可调性，电阻电容R1、R2、R3、C2需要放置在片外，由此需要引入多个焊盘而增加芯片面积，并且焊盘的寄生电容会增加运放设计的难度；其次四个运放的结构会显著增加芯片的静态功耗。比例积分控制器也可以用开关电容结构实现。采用开关电容结构只需要一个运放就能实现，这样能降低控制器的静态功耗，但需要增加额外的数字电路提供时钟。采用开关电容结构的另一个缺陷是数字电路会带来严重的噪声问题。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器，以解决现有的模拟比例积分控制器实现电路占用芯片面积大，静态功耗高的问题，并满足陀螺驱动电路等控制系统中对比例积分控制器的比例系数和积分系数可调性的要求。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器电路，其包括一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络；其中，

运算跨导放大器，采用工作在深线性区的NMOS管实现源级负反馈电阻，控制运算跨导放大器的等效跨导；

片外电阻电容网络，是一个可调电阻R1和一个可变电容C串联，两者再与一个大阻值电阻R2并联；可变电容C与电阻R2的接点接地，电阻R1与电阻R2的接点为输出端，并与运算跨导放大器的输出电连接。

所述的模拟比例积分控制器电路，其所述运算跨导放大器的输出，采用共源共栅结构。

所述的模拟比例积分控制器电路，其所述运算跨导放大器的输出电阻为Ro，取Ro的阻值＞＞R2的阻值。

所述的模拟比例积分控制器电路，其所述大阻值电阻R2，是R2的阻值＞＞R1的阻值，以保证比例系数K_P与电阻R1近似成正比。

本发明控制器的有益效果是，在保证比例积分控制器参数可调性的情况下，减小模拟集成比例积分控制器的芯片面积和静态功耗。

附图说明

图1描述微机械陀螺驱动电路系统框图，为本发明所应用的其中一种控制系统，但不仅限于此；

图2为图1中减法器和比例积分放大器的传统实现方法；

图3为本发明的基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器结构框图，由一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络构成；

图4为本发明提出的基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器的电路图。

具体实施方式

本发明的基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器结构如图3所示，包括一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络，同时实现了减法和比例积分运算功能。运算跨导放大器将输入信号(Vin)和参考信号(Vref)作差后输出误差电流信号(Ie)，此误差电流信号通过电阻电容网络进行比例和积分运算，并输出电压信号(Vout)。控制器中只采用一个运算跨导放大器，降低了电路的功耗和面积；而采用电阻电容网络只需要引出一个焊盘，进一步降低了电路的面积。控制器的比例系数可通过改变R1的阻值调节，而积分系数可通过改变C的电容值调节。控制器还可以通过电压Vc改变运算跨导放大器的等效跨导同时调节积分系数和比例系数。

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明由一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络组成，如图3所示。此控制器的传输函数可以表示为：

$H_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{in}}}\left(s\right)=g_m((R_1+\frac{1}{\mathrm{sC}})//R_o//R_2)---\left(1\right)$

公式(1)中Vin是输入电压信号，Vref是参考电压信号，Vout是输出电压信号，gm为运算跨导放大器的等效跨导，Ro为运算跨导放大器的输出电阻，R1、R2、C分别为电阻电容网络中的电阻和电容。由于比例积分控制器的一般表达式为：

$H\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s+q}---\left(2\right)$

公式(2)中K_P为控制器比例系数，K_I为控制器积分系数，q为积分器损耗。将公式(1)简化成公式(2)的形式，可得：

$H_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=g_m{R}_1\·\frac{R_L}{R_1+R_L}+g_m/C\·\frac{{(R_L/(R_1+R_L))}^2}{s+1/\left(C(R_1+R_L)\right)}---\left(3\right)$

公式(3)中的R_L为电阻R2和Ro的并联。若取Ro＞＞R2＞＞R1，则对应公式(2)的形式，本发明的比例系数、积分系数、积分器损耗可以分别简化为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P\≈g_m{R}_1\\ K_I\≈g_m/C\\ q\≈1/\left({\mathrm{CR}}_2\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于运算跨导放大器的输出阻抗Ro会随输出电压Vout变化，由此引起积分器损耗的变化。取Ro＞＞R2可以稳定控制器工作时积分器的损耗值。同时，取R2＞＞R1可以保证比例系数K_P与电阻R1近似成正比。

控制器中的运算跨导放大器设计成等效跨导g_m可控的，用来同时调节控制器的比例系数和积分系数，如图4所示。工作在深线性区的NMOS管M0用来实现源级负反馈电阻，控制运算跨导放大器的等效跨导。M0的等效电阻Rs可以表示为：

$R_s=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_c-V_s-V_{\mathrm{th}})}---\left(5\right)$

公式(5)中Vc为M0管栅极电压，Vs为M0管源级电压。

运算跨导放大器的跨导可以表示为：

$g_m=\frac{I_e}{V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{in}}}=\frac{g_{m\mathrm{1,2}}}{1+g_{m\mathrm{1,2}}{R}_s/2}---\left(6\right)$

公式(6)中的g_m1，2为差分管M1和M2的等效跨导。将电路设计成满足g_m1，2R_s/2＞＞1，可得：

$g_m\≈\frac{2}{R_s}={2\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_c-V_s-V_{\mathrm{th}})---\left(7\right)$

由公式(7)和公式(4)可知，通过调节M0管的栅极电压就能同时调节控制器的比例系数和积分系数。

公式(4)中显示积分器损耗与R2的阻值成反比。为在保证Ro＞＞R2的条件下，最大程度的减小积分器的损耗，图4中的运算跨导放大器输出采用共源共栅结构，增大输出电阻Ro的阻值。

Claims (4)

1.一种基于跨导-电容结构的模拟比例积分控制器电路，其特征是：包括一个集成的等效跨导可控的运算跨导放大器和一个片外的电阻电容网络；其中，

运算跨导放大器，采用工作在深线性区的NMOS管实现源级负反馈电阻，控制运算跨导放大器的等效跨导；

片外电阻电容网络，是一个可调电阻R1和一个可变电容C串联，两者再与一个大阻值电阻R2并联；可变电容C与电阻R2的接点接地，电阻R1与电阻R2的接点为输出端，并与运算跨导放大器的输出电连接。

2.根据权利要求1所述的模拟比例积分控制器电路，其特征是：所述运算跨导放大器的输出，采用共源共栅结构。

3.根据权利要求1所述的模拟比例积分控制器电路，其特征是：所述运算跨导放大器的输出电阻为Ro，取Ro的阻值＞＞R2的阻值。

4.根据权利要求1所述的模拟比例积分控制器电路，其特征是：所述大阻值电阻R2，是R2的阻值＞＞R1的阻值，以保证比例系数KP与电阻R1近似成正比。

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