CN103178828B - 带谐波失真自检功能的高阶σ-δ闭环加速度计接口电路 - Google Patents

Abstract

带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，属于MEMS惯性器件领域，本发明为解决目前的加速度计接口电路自检功能主要实现模拟输出的加速度计接口电路的自检测，而无法实现直接数字输出的闭环高阶Σ-Δ加速度计接口电路谐波失真自检测的问题。本发明包括加速度计敏感结构、电荷电压转换器、前级放大器、相关双采样与采样保持单元、相位补偿器、自检测单元、第一级积分器、第二级积分器、求和单元、第三级积分器和比较器，通过自检测单元的开关选择工作状态。当处于自检测状态时，自检测单元输出等效的加速度信号，实现自检测功能。当处于检测外界加速度信号的工作状态时，质量块偏离平衡位置，输出电荷信号，实现检测外界加速度信号功能。

Description

带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路

技术领域

本发明适用于MEMS惯性器件领域，涉及一种带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路。

背景技术

微机械惯性传感器是MEMS技术和惯性技术结合的产物，在所有的微机械惯性传感器中微机械加速度计是目前市场应用最广泛的传感器之一，与传统惯性器件相比，电容式微机械惯性传感器集MEMS工艺、IC工艺的优势为一体，实现了惯性传感器的高度集成，其具有体积小、重量轻、成本低廉，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。微机械加速度计传感器是微型惯性测量组合的核心元件，在汽车电子、航空航天、地震勘探、消费电子等领域得到广泛的应用，不仅在民用领域，在战术导弹的中段制导、灵巧炸弹和巡航导弹、飞机导航等军事领域，其应用范围也在不断扩大。

微机械惯性传感器直接数字输出能够有效降低成本，同时降低设计的难度，是MEMS传感器发展的必然趋势。利用Σ-Δ技术不仅能实现微机械加速度计的数字输出，而且能够实现系统的闭环工作，这在很大程度上增加了系统的工作带宽，提高了系统的线性度和动态范围。Σ-Δ微机械加速度计目前正朝着高精度、高阶的方向发展，所以对于系统的输出精度和稳定性要求越来越高。然而由于目前的工艺不稳定性，导致在设计微机械加速度计接口电路时存在一些难题。例如工艺不稳定性导致的机械表头参数存在不准确性，而随着温度的变化，系统的参数也会发生变化等等，所以为了提高系统的性能，必须确保加速度计工作的可靠性。微机械加速度计接口电路的自检测功能能够很好的检测出工艺参数和温度变化等带来的产品缺陷，提高产品率。

目前带有自检测功能的微加速度计接口电路的报道主要集中于模拟的电路结构，例如专利文件CN101271125A，发明名称为“一种电容式微加速度计”，公开日期为2008年9月24日，该专利报道的带自检测功能的开环电路结构的电容式微加速度计接口电路，其只能满足低端应用需求；专利文件CN101692095A，发明名称为“带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路”，公开日期为2010年4月7日，该专利报道的带自检测功能的闭环电容式加速度计接口电路，其满足较高精度的应用需求，但其却无法实现谐波失真自检功能。

发明内容

本发明目的是为了解决目前的加速度计接口电路自检功能主要解决模拟输出的加速度计接口电路的自检测，而无法实现直接数字输出的闭环高阶Σ-Δ加速度计接口电路谐波失真自检测的问题，提供了一种带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路。

本发明所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，它包括加速度计敏感结构、电荷电压转换器、前级放大器、相关双采样与采样保持单元、相位补偿器、自检测单元、第一级积分器、第二级积分器、求和单元、第三级积分器和比较器，

加速度计敏感结构的等效加速度信号输出端与电荷电压转换器的输入端相连；

电荷电压转换器的输出端与前级放大器的输入端相连；

前级放大器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相位补偿器的输入端相连；

相位补偿器的输出端、自检测单元的输出端分别与第一级积分器的两个输入端相连；

第一级积分器的输出端与第二级积分器的输入端相连；

相位补偿器的输出端、第一级积分器的输出端、第二级积分器的输出端分别与求和单元的三个输入端相连；

求和单元的输出端与第三级积分器的输入端相连；

第三级积分器的输出端与比较器的输入端相连；

比较器的输出端分别与加速度计敏感结构、第一级积分器、第二级积分器、第三级积分器的反馈端相连；

比较器的输出端输出位流信号。

本发明的优点：本发明采用模拟电路和数字电路相结合的方式，模拟电路包括电荷电压转换器、前级放大器、相关双采样与采样保持单元、相位补偿器、积分器、比较器等；数字电路包括用于前级检测、相位补偿以及积分电路的开关控制时序产生电路等。

本发明所述加速度计接口电路在稳定性补偿的基础上，实现较高的精度，满足了较高的应用需求，并且实现了直接数字输出的闭环Σ-Δ加速度计接口电路谐波失真自检测问题，降低了测试成本，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1是本发明所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路的原理框图。

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，本实施方式所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，它包括加速度计敏感结构100、电荷电压转换器101、前级放大器102、相关双采样与采样保持单元103、相位补偿器104、自检测单元105、第一级积分器106、第二级积分器107、求和单元108、第三级积分器109和比较器110，

加速度计敏感结构100的等效加速度信号输出端与电荷电压转换器101的输入端相连；

电荷电压转换器101的输出端与前级放大器102的输入端相连；

前级放大器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的输出端与相位补偿器104的输入端相连；

相位补偿器104的输出端、自检测单元105的输出端分别与第一级积分器106的两个输入端相连；

第一级积分器106的输出端与第二级积分器107的输入端相连；

相位补偿器104的输出端、第一级积分器106的输出端、第二级积分器107的输出端分别与求和单元108的三个输入端相连；

求和单元108的输出端与第三级积分器109的输入端相连；

第三级积分器109的输出端与比较器110的输入端相连；

比较器110的输出端分别与加速度计敏感结构100、第一级积分器106、第二级积分器107、第三级积分器109的反馈端相连；

比较器110的输出端输出位流信号。

加速度计敏感结构100的等效加速度信号输出端和反馈端都在该结构的质量块上。

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

前级放大器102由运算放大器和电阻网络组成，对电荷电压转换器101微弱输出信号进行放大。系统处于闭环应用状态下，当环路增益足够大时，加速度计敏感结构100的质量块位移非常小，所以电荷电压转换器101的输出信号比较小，前级放大器102用来对电荷电压转换器101微弱输出信号进行放大。

相关双采样与采样保持单元103由运算放大器和开关电容电路组成，实现对前端调制信号的解调，然后通过相关双采样技术来消除运放的失调和1/f噪声。

相位补偿器104由运算放大器、开关电容网络组成，实现对高阶系统的前置相位补偿，增加系统的稳定性。

由于高阶Σ-Δ加速度计接口电路存在严重的稳定性问题，所以需要相位补偿器104实现对高阶系统的前置相位补偿，增加系统的稳定性。此相位补偿器实现的离散域传递函数如式（1）所示：

                               （1）

式（1）中的α由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定。

自检测单元105由开关S和开关SN组成，开关S的一端作为自检信号输入端，开关SN的一端作为参考信号输入端，开关S的另一端和开关SN的另一端连接在一起，作为自检测单元105的输出端。

当系统处于检测外部加速度信号工作状态时，开关S断开，开关SN闭合，参考信号输入端输入参考信号V _ref ；当系统处于谐波失真自检工作状态时，开关S闭合，开关SN断开，自检信号输入端输入自检信号V _test 。

第一级积分器106、第二级积分器107、第三级积分器109均由运算放大器和开关电容网络组成，在两相不交叠时钟的控制下分别进行采样和积分过程。

求和单元108由开关电容网络组成，求和单元108在两相不交叠时钟的控制下分别进行求和和复位操作。

比较器110由动态比较器和锁存器组成，比较器110在两相不交叠时钟的控制下分别进行比较和保持操作。

系统的工作状态由自检测单元105的开关进行选择。当开关S闭合，开关SN关断时，系统处于自检测状态。这时自检测单元的输入端输入正弦信号，此信号经过三级积分器单元和比较器110输出后，反馈回加速度计敏感结构100的反馈端。此时由于反馈端的信号使得质量块和上下极板之间形成的等效电容值发生改变，形成了等效的外界加速度信号。后级的电荷电压转换器101对等效的加速度信号进行检测，经前级放大器102、相关双采样与采样保持单元103、相位补偿器104等处理后同自检测单元105的输入信号相加，继续由后级调制器电路处理输出位流。通过对比较器110输出端的位流信号Data_out进行处理即可看出系统的动态特性，检测系统的谐波失真情况，实现系统的自检测功能。当开关S关断，开关SN闭合时，自检测单元105输入系统的参考电压直流信号，系统处于检测外界加速度信号的工作状态。此时由于外界加速度的作用，加速度计敏感结构100的质量块偏离平衡位置，质量块和上下极板之间形成的等效电容值发生改变，由于在加速度计敏感结构100的上下极板上分别施加周期的方波激励信号V⁺、V^-，敏感结构输出电荷信号。加速度计敏感结构100输出的电荷信号经过电荷电压转换器101、前级放大器102、相关双采样与采样保持单元103、相位补偿器104后，送入由第一级积分器106、第二级积分器107、求和单元108、第三级积分器109、比较器110构成的高阶调制器系统，最终输出位流信号Data_out，位流信号Data_out同时作为调制器系统和加速度计敏感结构100的反馈电压V_f，实现系统的闭环应用。

Claims (8)

1.带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，它包括加速度计敏感结构（100）、电荷电压转换器（101）、前级放大器（102）、相关双采样与采样保持单元（103）、相位补偿器（104）、自检测单元（105）、第一级积分器（106）、第二级积分器（107）、求和单元（108）、第三级积分器（109）和比较器（110），

加速度计敏感结构（100）的等效加速度信号输出端与电荷电压转换器（101）的输入端相连；

电荷电压转换器（101）的输出端与前级放大器（102）的输入端相连；

前级放大器（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）的输出端与相位补偿器（104）的输入端相连；

相位补偿器（104）的输出端、自检测单元（105）的输出端分别与第一级积分器（106）的两个输入端相连；

第一级积分器（106）的输出端与第二级积分器（107）的输入端相连；

相位补偿器（104）的输出端、第一级积分器（106）的输出端、第二级积分器（107）的输出端分别与求和单元（108）的三个输入端相连；

求和单元（108）的输出端与第三级积分器（109）的输入端相连；

第三级积分器（109）的输出端与比较器（110）的输入端相连；

比较器（110）的输出端分别与加速度计敏感结构（100）、第一级积分器（106）、第二级积分器（107）、第三级积分器（109）的反馈端相连；

比较器（110）的输出端输出位流信号。

2.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，电荷电压转换器（101）由运算放大器和开关电容网络组成，通过开关控制来实现对加速度计敏感结构（100）电荷信号的调制，实现电荷电压转换。

3.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，前级放大器（102）由运算放大器和电阻网络组成，对电荷电压转换器（101）微弱输出信号进行放大。

4.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，相位补偿器（104）由运算放大器、开关电容网络组成，实现对高阶系统的前置相位补偿，增加系统的稳定性。

5.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，自检测单元（105）由开关S和开关SN组成，开关S的一端作为自检信号输入端，开关SN的一端作为参考信号输入端，开关S的另一端和开关SN的另一端连接在一起，作为自检测单元（105）的输出端。

6.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，第一级积分器（106）、第二级积分器（107）、第三级积分器（109）均由运算放大器和开关电容网络组成，在两相不交叠时钟的控制下分别进行采样和积分过程。

7.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，求和单元（108）由开关电容网络组成，求和单元（108）在两相不交叠时钟的控制下分别进行求和和复位操作。

8.根据权利要求1所述带谐波失真自检功能的高阶Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于，比较器（110）由动态比较器和锁存器组成，比较器（110）在两相不交叠时钟的控制下分别进行比较和保持操作。